DE102007026784A1 - Electronic switch unit's capacitance-voltage-characteristic curve determining method, involves determining inter electrode capacitance-current intensity by difference of static inter electrode current intensity and dynamic current intensity - Google Patents

Electronic switch unit's capacitance-voltage-characteristic curve determining method, involves determining inter electrode capacitance-current intensity by difference of static inter electrode current intensity and dynamic current intensity Download PDF

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Abstract

The method involves determining an output capacitance-current intensity by the use of the difference of a static output current intensity and a dynamic measured current intensity during a controlled state of an electronic switch unit, where the static output current intensity is determinable from an output characteristic curve of the electronic switch unit. An inter electrode capacitance-current intensity is determined by the use of the difference of a static inter electrode current intensity and a dynamic measured current intensity during a passive state of the electronic switch unit.

Description

Verfahren zur Bestimmung von Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien elektronischer Schaltelemente, dadurch gekennzeichnet, dass bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen (drei Kontakte) die Abhängigkeit der Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangskapazität von den zugehörigen Eigenspannungen bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen (zwei Kontakte) die Abhängigkeit der Interelektrodenkapazität von Interelektrodenspannung als differentielle bzw. als Großsignalkapazität aus applikationstypischen Kommutierungsvorgängen bestimmt wird, indem bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die zeitdiskreten Messdaten der Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangsspannung sowie die Eingangs- und Ausgangsstromstärke und bei passiven elektronischen Schaltelementen die zeitdiskrete Messdaten der Interelektrodenspannung sowie die Interelektrodenstromstärke applikationstypischer Kommutierungsvorgängen aufgenommen werden; dass die gemessenen zeitabhängigen Spannungen bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen um die durch die Ein- und Ausgangsstromstärke bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen um die durch die Interelektrodenstromstärke verursachten Spannungsabfälle über den wirkenden Widerständen zwischen den Messstellen und dem Chip sowie bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die durch den Ein- und Ausgangsstromanstieg bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen Interelektrodenstromanstieg verursachten Spannungsabfälle über der wirkenden Induktivität zwischen den Messstellen und dem Chip entsprechend des zweiten Kirchhoff'schen Satzes zu Chipspannungen korrigiert werden können; wobei bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die Ausgangskapazitätsstromstärke durch Differenz der aus dem Ausgangskennlinienfeld des elektronischen Schaltelementes für jeden Messzeitpunkt ermittelbaren statischen Ausgangsstromstärke und der dynamisch gemessenen Stromstärke bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen die Interelektrodenkapazitätsstromstärke durch Differenz der aus der Interelektrodenkennlinie des elektronischen Schaltelementes für jeden Messzeitpunkt ermittelbare statische Interelektrodenstromstärke und der dynamisch gemessenen Interelektrodenstromstärke ermittelt wird; dabei ergeben sich bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen durch numerische Integration der Eingangsstromstärke und der Ausgangskapazitätsstromstärke bzw. bei passiven Schaltelementen durch Integration der Interelektrodenstromstärke nach Offsetkorrekturen, welche der Bedingung genügen, dass die Ladung der Kapazitäten zu dem Zeitpunkt null Coulomb beträgt, zu dem die Eigenspannung der Kapazität gleich null ist, die zeitabhängigen Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangs- bzw. Interelektrodenladungsverläufe aus welchen die differentielle Kapazitäten (Cdiff = dQ(t)/dV(t)) bzw. die Großsignalkapazitäten (CLS = Q(t)/V(t)) der elektronischen Schaltelemente bestimmt werden können.Method for determining capacitance-voltage characteristics of electronic switching elements, characterized in that in controlled electronic switching elements (three contacts) the dependence of the input, feedback and output capacitance of the associated residual stresses or in passive electronic switching elements (two contacts) the dependence the interelectrode capacitance of interelectrode voltage is determined as a differential or large signal capacitance from application-typical commutation by the discrete-time measurement data input, Rückwirkungs- and output voltage and the input and output current and in passive electronic switching elements, the time-discrete measurement data of the interelectrode voltage and the Interelektrodenstromstärke application-typical Kommutierungsvorgängen be included; that the measured time-dependent voltages at controlled electronic switching elements by the input and output current strength or passive electronic switching elements by the voltage caused by the interelectrode current drops across the acting resistors between the measuring points and the chip as well as controlled electronic switching elements by the input and output current increase or in the case of passive electronic switching elements Interelektrodenstromanstieg caused voltage drops over the acting inductance between the measuring points and the chip can be corrected according to the second Kirchhoff's theorem to chip voltages; wherein in controlled electronic switching elements, the output capacitance current strength by difference of the static output current intensity and the dynamically measured current from the output characteristic field of the electronic switching element for each measurement time or in passive electronic switching elements, the Interelektrodenkapazitätsstromstärke by difference of the Interelektrodenkennlinie of the electronic switching element for each measurement time detectable static Interelektrodenstromstärke and the dynamically measured interelectrode current intensity is determined; This results in controlled electronic switching elements by numerical integration of the input current intensity and the output capacitance current or passive switching elements by integration of Interelektrodenstromstärke after offset corrections, which satisfy the condition that the charge of the capacitances at the time zero Coulomb, to which the residual stress of the capacitance is zero, the time-dependent input, feedback and output or Interelektrodenladungsverläufe from which the differential capacitances (C diff = dQ (t) / dV (t)) and the large signal capacitances (C LS = Q (t) / V (t)) of the electronic switching elements can be determined.

Es folgt eine ausführliche Erörterung am Ausführungsbeispiel: MOSFET It follows a detailed discussion on the embodiment: MOSFET

2. Schaltverhalten2. Switching behavior

2.1. Trench Gate MOSFETs2.1. Trench gate MOSFETs

Trench Gate MOSFETs unterscheiden sich von den planaren MOSFETs durch eine neue Gatestruktur, die einen vertikalen Verlauf des Kanals in der p-Wanne ermöglicht. Aus der räumlichen Struktur der MOSFET-Zelle mit Trench Gate (1) ergeben sich entsprechend zu den planaren MOSFETs die in der 2 dargestellten, parasitären Elemente ohne Berücksichtigung von parasitären Verbindungsinduktivitäten.Trench gate MOSFETs differ from planar MOSFETs in that they have a new gate structure that allows the channel in the p-well to travel vertically. From the Spatial Structure of the MOSFET Cell with Trench Gate ( 1 ) result in accordance with the planar MOSFETs in the 2 represented, parasitic elements without consideration of parasitic connection inductances.

Durch eine Vergrößerung der aktiven Siliziumfläche kann bei der Grabenstruktur eine verbesserte Steuerung des Kanalquerschnittes ermöglicht und ein kleinerer Kanalwiderstand bewirkt werden. Weitere Vorteile sind, dass höhere Stromdichten, niedrigere Durchlass- und Schaltverluste, höhere Durchbruchspannungen und eine höhere Latch-up-Festigkeit zu erreichen sind bzw. die Zellfläche im Vergleich zu entsprechenden planaren MOSFETs verkleinert werden kann. Dem stehen als Nachteile eine schlechtere Kurzschlussfestigkeit, eine höhere Gatekapazität CGS und ein aufwendigeres Produktionsverfahren gegenüber [1].By enlarging the active silicon area, in the trench structure, an improved control of the channel cross-section is made possible and a smaller channel resistance is effected. Further advantages are that higher current densities, lower forward and switching losses, higher breakdown voltages and a higher latch-up-strength can be achieved or the cell area can be reduced compared to corresponding planar MOSFETs. The disadvantages are a poorer short circuit resistance, a higher gate capacitance C GS and a more complex production process compared to [1].

Im Rahmen dieser Arbeit werden alle Untersuchungen an einer Halbbrücke mit Trench Gate MOSFETs in isoliertem Package durchgeführt [2].in the All work on a half bridge is part of this work performed with trench gate MOSFETs in insulated package [2].

2.2. Schaltverhalten von MOSFETs beim harten Schalten2.2. Switching behavior of MOSFETs during hard switching

2.2.1. Einfluss der Freilaufdiode2.2.1. Influence of the freewheeling diode

Viele Schaltaufgaben für MOSFETs sind gekennzeichnet durch „hartes" Ein- und Ausschalten ohmsch-induktiver Lasten bei denen der Laststrom IL nie auf Null absinkt (nicht kickender Betrieb). Die Lastzeitkonstante LL/RL ist dabei viel größer als die Periodendauer TS = 1/fS der Schaltfrequenz. Das erfordert eine Freilaufdiode, die beim Ausschalten des MOSFETs ein Abreißen des Laststroms IL durch die Lastinduktivität LL verhindert. Das Schaltverhalten von MOSFETs soll im Folgenden anhand einer Tiefsetzstellerschaltung verdeutlicht werden (3).Many switching tasks for MOSFETs are characterized by "hard" switching on and off of ohmic-inductive loads in which the load current I L never drops to zero (non-kicking operation) The load time constant L L / R L is much greater than the period T s = 1 / f S of the switching frequency, which requires one Free-wheeling diode, which prevents tearing off the load current I L by the load inductance L L when turning off the MOSFET. The switching behavior of MOSFETs will be clarified below using a buck converter circuit ( 3 ).

Wie sich die beiden Halbleiter in der Strom- und Spannungsführung ablösen, wird maßgeblich durch die Diode und deren Kennlinie beeinflusst (4).The way in which the two semiconductors separate in the current and voltage direction is significantly influenced by the diode and its characteristic ( 4 ).

So kann beim Einschalten des Transistors die Diode erst dann ausschalten bzw. Sperrspannung übernehmen, wenn der Strom vollständig von der Freilaufdiode auf den Transistor kommutiert ist, d. h. der Drainstrom ID muss die Höhe des Laststroms erreichen, bevor die Drain-Source-Spannung VDS auf ihren Durchlasswert absinken kann. Die Stromkommutierung findet vor der Spannungskommutierung statt.Thus, when the transistor is turned on, the diode can only switch off or take over blocking voltage if the current is completely commutated by the freewheeling diode onto the transistor, ie the drain current I D must reach the level of the load current before the drain-source voltage V DS can sink to their pass value. The current commutation takes place before the voltage commutation.

Demzufolge kann beim Ausschalten des Transistors die Diode erst dann einschalten bzw. Strom führen, wenn die Spannung vollständig vom MOSFET auf die Diode kommutiert ist, d. h. die Drain-Source-Spannung VDS muss wenigstens auf das Niveau der Zwischenkreisspannung VDClink angestiegen sein, bevor der Drainstrom ID auf den Wert des Reststroms abfallen kann. Die Stromkommutierung erfolgt nach der Spannungskommutierung.Accordingly, when the transistor is turned off, the diode can not turn on until the voltage is fully commutated by the MOSFET to the diode, ie, the drain-source voltage V DS must have increased at least to the level of the intermediate circuit voltage V DClink the drain current I D can drop to the value of the residual current. The current commutation takes place after the voltage commutation.

Neben den beschriebenen Effekten wirkt sich das Reverse-Recovery-Verhalten der Freilaufdiode direkt auf den Drainstrom aus. Beim Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand wird die in der Diode gespeicherte Ladung durch einen Stromfluss in Rückwärtsrichtung der Diode abgebaut. Da der Laststrom IL der Knotengleichung ID = IL – IDiode (2.1)aufgrund des Verhältnisses von Lastzeitkonstante und Periodendauer der Schaltfrequenz nahezu konstant ist, muss sich während der Rückstromspitze der Diode der Drainstrom um die Rückstromspitze über den Laststrom hinaus erhöhen.In addition to the effects described, the reverse recovery behavior of the freewheeling diode directly affects the drain current. During the transition from the conducting to the blocking state, the charge stored in the diode is dissipated by a current flow in the reverse direction of the diode. Since the load current I L of the node equation I D = I L - I diode (2.1) Due to the ratio of the load time constant and the period of the switching frequency is almost constant, the drain current must increase by the reverse current peak beyond the load current during the reverse current peak of the diode.

2.2.2 Einfluss der Kommutierungsinduktivität und -kapazität2.2.2 Influence of commutation inductance and capacity

Die 5 zeigt den Kommutierungskreis mit strukturbedingten internen Kapazitäten, internen Widerständen und Anschlusswiderständen, sowie internen und parasitären Verbindungsinduktivitäten. Sie beeinflussen das Schaltverhalten, insbesondere die Schaltgeschwindigkeit und die Schaltverluste.The 5 shows the commutation circuit with structure-related internal capacitances, internal resistances and connection resistances, as well as internal and parasitic connection inductances. They influence the switching behavior, in particular the switching speed and the switching losses.

Die Kommutierungsinduktivität LK ergibt sich aus der Summe von LDClink, LK_CP, LA_CP, LD_CP und LS_CP. Sobald durch eine Induktivität ein sich ändernder Strom fließt, wird in dieser eine Spannung VL induziert, deren Richtung vom Stromanstieg abhängt:

Figure 00030001
The commutation inductance L K results from the sum of L DClink , L K_CP , L A_CP , L D_CP and L S_CP . As soon as an alternating current flows through an inductance, a voltage V L is induced in it, the direction of which depends on the current increase:
Figure 00030001

Bei Anwendung des Verbraucherzählsystems ist beim aktiven Einschaltein des MOSFETs der Stromanstieg durch den MOSFET und die Induktivitäten LDClink, LD_PC und LS_PC positiv und durch die Diode und die Induktivitäten LK_PC und LA_PC negativ definiert. Der positiv definierte Drain- und Diodenstrom und damit auch die entsprechenden Stromanstiege sind jedoch entgegengesetzt gerichtet. Aufgrund der Laststromeinprägung fließen während der Kommutierung zwar unterschiedliche Stromstärken durch die Diode und den Transistor, die Stromanstiege sind jedoch gleich. Damit reduziert der Spannungsabfall über den Induktivitäten vom Beginn der Stromkommutierung bis zum Beginn des Rückstromabrisses die Spannung VDS und so die Einschaltverluste des Transistors.When the consumer counting system is used , the current rise through the MOSFET and the inductances L DClink , L D_PC and L S_PC is positively defined during active activation of the MOSFET and negatively defined by the diode and the inductances L K_P C and L A_PC . The positively defined drain and diode current and thus the corresponding current increases are, however, directed opposite. Due to the load current injection, although different currents flow through the diode and the transistor during the commutation, the current increases are the same. Thus, the voltage drop across the inductors from the beginning of Stromkommutierung to the beginning of the Rückstromabrisses reduces the voltage V DS and so the turn-on of the transistor.

Folglich kommt es beim Rückstromabriss und aktiven Ausschalten des MOSFETs aufgrund hoher Stromänderungsgeschwindigkeiten durch die Kommutierungsinduktivität zu Überspannungen an Transistor und Diode. Deshalb erhöhen sich die Ausschaltverluste und die Spannungsbeanspruchung der Leistungshalbleiter.consequently it comes with the reverse current break and active switching off the MOSFETs due to high current change rates through the commutation inductance to overvoltages to transistor and diode. Therefore, the turn-off losses increase and the voltage stress of the power semiconductors.

Der Minimalwert der Kommutierungskapazität CK setzt sich aus CGS, CGD und CDS zusammen. Ändert sich die Spannung über einer Kapazität, so kommt es zu einem Stromfluss, dessen Richtung vom Spannungsanstieg abhängt:

Figure 00040001
The minimum value of the commutation capacitance C K is composed of C GS , C GD and C DS . If the voltage changes over a capacitance, a current flow occurs, the direction of which depends on the voltage increase:
Figure 00040001

Demnach wirkt CK prinzipiell ausschaltentlastend, da ein Teil des Stroms durch den Leistungshalbleiter auf die parallelen Kapazitäten kommutiert. Allerdings entstehen beim aktiven Einschalten durch das Umladen der Kommutierungskapazitäten zusätzliche Verluste. Entgegen der Idealvorstellung einer leistungslosen Spannungssteuerung über das MOSFET-Gate sind die beim Schalten notwendigen Umladeströme der internen Kapazitäten Ursache für einen schaltfrequenzabhängigen Bedarf an Ansteuerleistung. Zudem können die stromkreis- und transistorinternen Kapazitäten zusammen mit den parasitären Induktivitäten unerwünschte Schwingungen anregen.Accordingly, C K in principle acts ausschaltentlastend, since a part of the current through the power semiconductor commutated to the parallel capacitances. However, additional losses occur during active switching on due to the transfer of the commutation capacities. Contrary to the ideal conception of powerless voltage control via the MOSFET gate, the reloading currents of the internal capacitances required during switching are the cause of a switching frequency-dependent demand for drive power. In addition, the circuit and transistor-internal capacities can stimulate unwanted vibrations together with the parasitic inductances.

2.3. dID/dt und dVDS/dt – Rückkopplung2.3. dI D / dt and dV DS / dt - feedback

2.3.1. dID/dt – Rückkopplung der Sourceinduktivität2.3.1. dI D / dt - feedback of the source inductance

Aus 5 wird ersichtlich, dass der Teil LS_PC1 der Sourceinduktivität sowohl im Leistungs- als auch im Ansteuerkreis liegt. Bei Änderungen der Drainstromstärke wird über ihr eine Spannung induziert, die als Gegenkopplung im Ansteuerkreis wirkt. So verlangsamt sie beim Einschalten des MOSFETs das Aufladen und beim Ausschalten die Entladung der Gate-Source-Kapazität. Dadurch steigen die Schaltzeiten und die Schaltverluste.Out 5 It will be seen that the portion L S_PC1 of the source inductance lies in both the power and drive circuits. When changing the drain current, a voltage is induced via it, which acts as a negative feedback in the control circuit. For example, when the MOSFET is turned on, it slows down charging and, when turned off, discharges the gate-source capacitance. This increases the switching times and the switching losses.

2.3.2. dVDS/dt – Rückkopplung der Drain-Gate-Kapazität2.3.2. dV DS / dt - feedback of the drain-gate capacitance

Der Einfluss der parasitären Drain-Gate-Kapazität CDG wird als Millereffekt bezeichnet. CDG, auch Millerkapazität genannt, bewirkt eine dVDS/dt Gegenkopplung auf das Gate. Zur Verdeutlichung dieses Effektes werden im Folgenden die Vorgänge am Transistor während des Ein- und Ausschaltens näher betrachtet. 6 stellt dazu schematisch das Durchlaufen des Ausgangskennlinienfeldes eines MOSFETs (n-Kanal-Anreicherungstyp) während des Schaltens dar.The influence of the parasitic drain-gate capacitance C DG is called the Miller effect. C DG , also called Miller Capacity, causes a dV DS / dt negative feedback on the gate. To clarify this effect, the operations on the transistor during switching on and off are considered in more detail below. 6 schematically illustrates passing through the output characteristic field of a MOSFET (n-channel enhancement type) during switching.

Einschalten des MOSFETsTurn on the MOSFET

Mit dem Einschalten der Steuerspannung VDr beginnt ein positiver Gatestrom

Figure 00040002
zu fließen, der zunächst hauptsächlich die Gatekapazität CGS auflädt. VGS steigt an. Bis die Schwellenspannung VGS(th) erreicht wird, bleiben die Drain-Source-Spannung und der Drainstrom unbeeinflusst, d. h. VDS ≈ VDClink und ID entspricht weiterhin dem Reststrom (vgl. Übertragungskennlinie in 7). Erst mit dem Erreichen der Schwellenspannung VGS(th) schaltet sich der Transistor ein und ID beginnt zu fließen. Während der Drainstrom kommutiert, durchläuft der Transistor den Aktiven Kennlinienbereich bei annähernd konstanter Drain-Source-Spannung. VGS steigt dabei an und ist über die Steilheit gfs mit dem Drainstrom gekoppelt: dID = gfs·dVGS. (2.5) With the switching on of the control voltage V Dr starts a positive gate current
Figure 00040002
initially mainly charging the gate capacitance C GS . V GS increases. Until the threshold voltage V GS (th) is reached, the drain-source voltage and the drain current remain uninfluenced, ie V DS ≈V DClink and I D continue to correspond to the residual current (see transfer characteristic in FIG 7 ). Only when the threshold voltage V GS (th) is reached, the transistor turns on and I D starts to flow. While the drain current is commutating, the transistor passes through the active characteristic region at approximately constant drain-source voltage. V GS increases and is coupled to the drain current via the transconductance g fs : dI D = g fs * dV GS , (2.5)

Nach der Stromkommutierung kann die Drain-Source-Spannung auf VDS(on) absinken. ID und VGS sind weiterhin über gfs gekoppelt, deshalb bleibt VGS konstant auf dem Wert, der entsprechend der Transferkennlinie notwenig ist, um ID = IL aufrecht zu erhalten. Es entsteht das Millerplateau. Während VDS sinkt, lädt der gesamte Gatestrom die stark spannungsabhängige Drain-Gate-Kapazität um:

Figure 00050001
und verursacht so den negativen Drain-Source-Spannungsanstieg [3]
Figure 00050002
After current commutation, the drain-source voltage may drop to V DS (on) . I D and V GS are still coupled via g fs , so V GS remains constant at the value necessary according to the transfer characteristic to maintain I D = I L. The result is the Miller Plateau. As V DS decreases, the entire gate current overcharges the highly voltage-dependent drain-gate capacitance:
Figure 00050001
causing the negative drain-source voltage rise [3]
Figure 00050002

Da die Millerkapazität stark spannungsabhängig ist und bei kleinen und negativen Drain-Gate-Spannungen stark ansteigt, wird – auch noch wenn dVDS/dt betragsmäßig sinkt – der gesamte Gatestrom zum Umladen von CDG verbraucht. Erst wenn die Drain-Source-Spannung soweit abgesunken ist, dass der benötigte Umladestrom der Millerkapazität kleiner als der bereitgestellte Gatestrom ist, steigt die Gate-Source-Spannung weiter an. Der Transistor befindet sich dann bereits im Ohmschen Bereich des Ausgangskennlinienfeldes, d. h. VGS ist nicht mehr über gfs mit ID gekoppelt. Die Gate-Source-Spannung steigt auf die Steuerspannung an. Der Endwert von VGS beeinflusst den RDS(on) und damit die Drain-Source-Spannung VDS(on) = ID·RDS(on). (2.0) Since the Miller capacitance is strongly voltage-dependent and rises sharply at low and negative drain-gate voltages, the entire gate current is also converted to - even if dV DS / dt decreases in magnitude load from C DG consumed. Only when the drain-source voltage has dropped so far that the required Umladestrom the Miller capacitance is smaller than the gate current provided, the gate-source voltage continues to increase. The transistor is then already in the ohmic region of the output characteristic field, ie V GS is no longer coupled to I D via g fs . The gate-source voltage rises to the control voltage. The final value of V GS affects the R DS (on) and thus the drain-source voltage V DS (on) = I D · R DS (on) , (2.0)

Die insgesamt notwendige Ladungsmenge QGtot ist umso größer und die Ladedauer umso länger, je größer VDS, denn es gilt:

Figure 00050003
The total amount of charge required Q Gtot is greater and the charging time is longer, the larger V DS , because it applies:
Figure 00050003

Berücksichtigt man das Reverse-Recovery-Verhalten der Diode, so wächst der Drainstrom über IL auf ID = IL + Irr an, wodurch VGS über die Millerspannung hinaus ansteigt (vgl. 6). Während des Rückstromabrisses fällt VGS sehr schnell auf die Millerspannung ab und bewirkt so einen zum Gatestrom zusätzlichen Strom aus CGS durch CDG und den Stromkanal. Dieser zusätzliche Strom ruft einen vergleichsweise steilen Spannungsabfall von VDG und VDS während des Rückstromabrisses hervor.Taking into account the reverse-recovery behavior of the diode, the drain current increases over I L to I D = I L + I rr , whereby V GS increases beyond the Miller voltage (cf. 6 ). During the reverse current cut, V GS drops very fast to the Miller voltage, causing a current from C GS through C DG and the current channel that is additional to the gate current. This additional current causes a comparatively steep drop in voltage of V DG and V DS during the reverse current cutoff.

Ausschalten des MOSFETsTurn off the MOSFET

Beim Ausschalten laufen die beschriebenen Abläufe in umgekehrter Reihenfolge ab. Ein negativer Gatestrom führt dazu die Ladungsmenge QGtot aus dem Gate ab. So nimmt zunächst die Gate-Source-Spannung exponentiell ab. Während ID noch unverändert bleibt, beginnt VDS(on) = ID·RDS(on) leicht zu steigen. Vom Verlassen des Ohmschen und dem anschließenden Durchlaufen des Aktiven Kennlinienbereiches bis zum Erreichen von VDS(off) ≈ VDClink bildet sich wieder das Millerplateau aus. Danach kann die Stromkommutierung stattfinden und die Gate-Source-Spannung weiter exponentiell abnehmen. Mit dem Erreichen von VGS(th) ist der Transistor ausgeschaltet.When switching off, the processes described proceed in the reverse order. A negative gate current leads to the charge quantity Q Gtot from the gate. So first the gate-source voltage decreases exponentially. While I D still remains unchanged, V DS (on) = I D * R DS (on) starts to increase slightly. From leaving the Ohm and the subsequent passage through the active characteristic range until reaching VDS (off) ≈ V DClink , the Miller plateau is formed again. After that, the current commutation can take place and the gate-source voltage continues to decrease exponentially. When V GS (th) is reached, the transistor is turned off.

Das Umladen der Millerkapazität beim Ein- und Ausschalten verlangsamt das Laden und Entladen der Gate-Source-Kapazität. Durch einen größeren Gatewiderstand RG wird das Schalten verlangsamt.Reloading the Miller Capacity on and off slows down the charging and discharging of the gate-source capacitance. By a larger gate resistance R G , the switching is slowed down.

2.3.3. Rückkopplung im MOSFET-Brückenzweig mit Inversdiode2.3.3. Feedback in the MOSFET bridge branch with inverse diode

Die beschriebenen Rückkopplungseffekte können unter bestimmten Bedingungen durch die Millerkapazität und die Sourceinduktivität einen weiteren Effekt hervorrufen, wenn die Tiefsetzstellerschaltung durch eine Brückenschaltung von MOSFETs mit integrierten Inversdioden realisiert wird (8).The described feedback effects can cause a further effect under certain conditions by the Miller capacitance and the source inductance, if the buck converter circuit is realized by a bridge circuit of MOSFETs with integrated inverse diodes ( 8th ).

Zu Betrachtungsbeginn sind Topschalter T1 und Bottomschalter T2 ausgeschaltet und der Laststrom fließt durch die Diode D2. Wird nun Transistor T1 aktiv eingeschaltet, so bewirkt der steile positive Anstieg der Drain-Source-Spannung dVDS2/dt zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses seiner parallelen Inversdiode D2 einen Verschiebestrom iv durch die Millerkapazität. Der Verschiebestrom verursacht über dem Widerstand RG einen negativen Spannungsabfall VRG. Gleichzeitig entsteht durch den negativen Stromanstieg während des Rückstromabrisses eine Spannung VLS_PC1 über der Sourceinduktivität LS_PC1. Beide Rückkopplungen können den MOSFET T2 während des Rückstromabrisses in den aktiven Bereich steuern, falls die Summe der Spannungen VRG und VLS_PC1 größer als die Schwellenspannung Vth des MOSFETs wird. Das fuhrt zu einen Querstrom in der Brücke und zusätzlichen Verlusten in den Transistoren T1 und T2 [1].At the beginning of the viewing, the top switch T1 and the bottom switch T2 are turned off and the load current flows through the diode D2. Now, if transistor T1 is actively turned on, the steep positive increase of the drain-source voltage dV DS2 / dt at the time of the reverse current break of its parallel inverse diode D2 causes a shift current i v through the Miller capacitance. The displacement current causes a negative voltage drop V RG across the resistor R G. At the same time, due to the negative current increase during the reverse current breakdown, a voltage V LS_PC1 arises across the source inductance L S_PC1 . Both feedbacks may control the MOSFET T2 during the reverse current cut-off to the active region if the sum of the voltages V RG and V LS_PC1 becomes greater than the threshold voltage V th of the MOSFET. This leads to a cross current in the bridge and additional losses in the transistors T1 and T2 [1].

Trotz dieser negativen Konsequenzen empfiehlt sich für die Ansteuerung von Leistungs-MOSFETs das Anlegen einer negativen Gate-Drain-Spannung im ausgeschalteten Zustand nicht, da MOSFETs nur eine beschränkte dV/dt-beziehungsweise die internen Inversdioden nur eine begrenzte dI/dt-Festigkeit besitzen. Neben dem erläuterten Einschalten des MOSFETs aufgrund des durch den Verschiebestrom entstehenden Spannungsabfalls über dem Gatewiderstand, kann der Spannungsanstieg auch das Einschalten des parasitären Bipolartransistors verursachen [4]. Es ist jedoch unbedingt notwendig, das parasitäre Einschalten des Bipolartransistors zu verhindern, indem das Potential der parasitären Basis so nah wie möglich am Sourcepotential bleibt. Deshalb wird der Bodyanschluss (p- Substrat) an die n-Region (Source) angeschlossen. Dadurch wird die Basis-Emitter-Strecke des parasitären npn-Bipolartransistors kurzgeschlossen. Die Basis-Kollektor-Diode entspricht dabei der Inversdiode (2). Der Body-Source-Kurzschluss ist sehr effektiv um ein statisches Einschalten des Bipolartransistors zu verhindern. Allerdings kann es insbesondere in MOSFET-Brückenzweigen mit integrierten Inversdioden bei schnellen Ausschaltvorgängen zum Einschalten des Bipolartransistors kommen. Das Ersatzschaltbild des Leistungs-MOSFETs (2) verdeutlicht, dass der Anstieg der Drain-Source-Spannung einen Verschiebestrom durch die Drain-Source-Kapazität CDs und den Basis-Emitter-Widerstand RW des parasitären npn-Bipolartransistors hervorruft. Erreicht der dadurch entstehende Spannungsabfall über dem lateralen p-Wannen-Widerstand RW die Höhe der Schwellenspannung, steuert der Bipolartransistor auf. Es entsteht eine sehr hohe Verlustleistung und der Transistor kann nicht über die Basis ausgeschalten werden, da diese nicht zugänglich ist. Das kann zur verlustleistungsbedingten Zerstörung des MOSFETs führen. Durch das parasitäre Aufsteuern des MOSFET-Kanals wird jedoch der Strom- und Spannungsanstieg begrenzt und schwächt den gefährlichen Effekt des bipolaren Aufsteuerns ab. [1]Despite these negative consequences, the application of a negative gate-drain voltage in the off state is not recommended for the control of power MOSFETs, since MOSFETs have only a limited dV / dt or the internal inverse diodes only a limited dI / dt strength. In addition to the explained switching on of the MOSFET due to the voltage drop across the gate resistance caused by the displacement current, the voltage increase can also cause the switching on of the parasitic bipolar transistor [4]. However, it is essential to prevent parasitic turn-on of the bipolar transistor by keeping the potential of the parasitic base as close as possible to the source potential. Therefore, the body lead (p-type substrate) is connected to the n-type region (source). As a result, the base-emitter path of the parasitic npn bipolar transistor is short-circuited. The base-collector diode corresponds to the inverse diode ( 2 ). The body-source short circuit is very effective to prevent a static turn on the bipolar transistor. However, especially in MOSFET bridge legs with integrated inverse diodes, in rapid turn-off operations, the bipolar type can be turned on ransistors come. The equivalent circuit diagram of the power MOSFET ( 2 ) illustrates that the increase of the drain-source voltage causes a shift current through the drain-source capacitance CD and the base-emitter resistor R W of the parasitic NPN bipolar transistor. If the resulting voltage drop across the lateral p-well resistor R W reaches the level of the threshold voltage, the bipolar transistor is triggered. It creates a very high power loss and the transistor can not be turned off via the base, as this is not accessible. This can lead to loss-performance-related destruction of the MOSFET. The parasitic control of the MOSFET channel, however, the current and voltage increase is limited and weakens the dangerous effect of the bipolar Aufsteuerns. [1]

2.4. Strom- und Spannungsverläufe beim Ein- und Ausschalten2.4. Current and voltage curves when switching on and off

Die beschrieben Effekte sind für den Tiefsetzsteller – ohne die Berücksichtigung von möglichen Schwingungen – in 9 das Einschalten und 10 das Ausschalten qualitativ dargestellt und zusammengefasst.The effects described are for the buck converter - without the consideration of possible vibrations - in 9 turning it on and on 10 switching off qualitatively and summarized.

3. Ermittlung der Kapazitäten mittels transienter Analyse3. Determination of capacities using transient analysis

3.1. Analysearten3.1. analysis types

Die Intension dieser Arbeit ist es, die spannungsabhängigen Schalterkapazitäten während der Schaltvorgänge zu bestimmen. Die Schalterkapazitäten können mit Hilfe verschiedener Analysearten untersucht werden. Um eine Entscheidung treffen zu können, welche Analyse zur Bestimmung der Kapazitäten geeignet ist, werden die grundlegenden Analysearten kurz erläutert und in der folgenden Tabelle gegenübergestellt. Analyseart Zweck Stimuli Ergebnisse Gleichungssystem Gleichstromanalyse (Gleichstrom-)Arbeitspunktberechnung Gleichstrom-spannungen/-ströme U0, I0 – algebraisch – nichtlinear – reellwertig Wechselstromanalyse Kleinsignaluntersuchung Sinusförmige Wechselspannungen/-ströme U(ω), I(ω) – algebraisch – linear – komplexwertig Transiente Analyse Untersuchung des transienten Verhaltens (Großsignal) beliebige zeitveränderliche Spannungen/Ströme u(t), i(t) – Differential-gleichungssystem – nichtlinear The intention of this work is to determine the voltage-dependent switch capacities during switching operations. The switch capacities can be examined by means of various types of analysis. In order to decide which analysis is suitable for determining the capacities, the basic types of analysis are briefly explained and compared in the following table. of analysis purpose stimuli Results system of equations DC analysis (DC) working point calculation DC voltages / currents U 0 , I 0 - algebraic - nonlinear - real valued AC analysis Small signal analysis Sinusoidal alternating voltages / currents U (ω), I (ω) - algebraic - linear - complex valued Transient analysis Investigation of transient behavior (large signal) any time-varying voltages / currents u (t), i (t) - Differential equation system - nonlinear

Die Gleichstromanalyse dient der Ermittlung eines Gleichstromarbeitspunktes. Die Schaltung wird dabei mit allen Nichtlinearitäten, aber ohne Zeitabhängigkeiten betrachtet. So werden beispielsweise Induktivitäten durch einen Kurzschluss und Kapazitäten durch einen unendlich großen Widerstand (Unterbrechung) modelliert. Diese Art von Analyse kann deshalb nicht zur Ermittlung der Schalterkapazitäten verwendet werden.The DC analysis is used to determine a DC working point. The circuit will work with all nonlinearities, but considered without time dependencies. For example Inductors due to a short circuit and capacitances through an infinite resistance (interruption) modeled. This type of analysis can therefore not be used to identify the switch capacities are used.

Die Wechselstromanalyse dient zur Berechnung des Kleinsignalverhaltens der Schaltung. Untersucht wird das Verhalten bei kleinen Auslenkungen aus einem DC-Arbeitspunkt mit sinusförmigen Wechselgrößen als Stimuli. Alle Nichtlinearitäten werden durch lineare Funktionen im Arbeitspunkt dargestellt. Diese Analysenart eignet sich zur Bestimmung der Schalterkapazitäten, wenn man diese für eine Vielzahl von Arbeitspunkten bestimmt, die dann während der Kommutierung durchlaufen werden. Es ist ein algebraisches, lineares, komplexwertiges Gleichungssystem zu lösen.The AC analysis is used to calculate the small-signal behavior the circuit. The behavior is examined with small deflections from a DC operating point with sinusoidal alternating quantities as Stimuli. All nonlinearities are characterized by linear functions shown in the working point. This type of analysis is suitable for determination the switch capacities, if one for a Determined variety of working points, which then during to undergo the commutation. It is an algebraic, linear, solve complex system of equations.

Die transiente Analyse stellt den allgemeinsten Fall dar. Als Stimuli können beliebige zeitabhängige Größen auftreten. Alle Nichtlinearitäten bleiben erhalten. Die transiente Analyse bildet den zeitlichen Verlauf der Variablen der vorliegenden Schaltung nach. Somit erweist sich die Großsignalanalyse als besonders praktikabel zur Ermittlung der Kapazitäten während der Kommutierung. Es muss ein nichtlineares, reellwertiges Algebro-Differentialgleichungssystem gelöst werden. In diesem sind gewöhnliche Differentialgleichungen und algebraische Nebenbedingungen gekoppelt.The Transient analysis is the most general case. As stimuli can be any time-dependent quantities occur. All nonlinearities are preserved. The transient analysis forms the temporal course of the variable present circuit after. Thus, the large signal analysis proves as particularly practicable for determining the capacities during the commutation. It has to be a non-linear, real-valued one Algebro differential equation system can be solved. In these are ordinary differential equations and algebraic ones Coupled with ancillary conditions.

3.2. Nichtlineare Kapazität – Großsignal- und Kleinsignalkapazität3.2. Nonlinear capacity - large signal and small signal capacity

Die elektrische Kapazität stellt die Fähigkeit eines Körpers dar, elektrische Ladungen zu speichern. Die gespeicherte Ladung q(t) ist dabei eine Funktion von der momentanen Spannung über der Kapazität. Die Ladungs-Spannungs-Kennlinie kann demzufolge durch die Gleichung

Figure 00090001
ausgedrückt werden. Der Strom durch die Kapazität ergibt sich aus
Figure 00090002
die spannungsabhängige differentielle Kapazität ist. Gleichung (3.2) ist allgemein gültig, wenn die Abhängigkeit der differentiellen Kapazität von der angelegten Spannung berücksichtigt wird [5]. Die differentielle Kapazität Cdiff(v) ist keine Kleinsignalkapazität. Kleinsignalkapazitäten beziehen sich immer auf einen Arbeitspunkt. Eine nichtlineare differentielle Kapazität bei der Spannung v0 kann durch eine Tangente im Punkt P(v0; q(v0)) dargestellt werden (11).The electrical capacity represents the ability of a body to store electrical charges. The stored charge q (t) is a function of the instantaneous voltage across the capacitance. The charge-voltage characteristic can therefore be determined by the equation
Figure 00090001
be expressed. The current through the capacity results
Figure 00090002
is the voltage-dependent differential capacitance. Equation (3.2) is generally valid if the dependence of the differential capacitance on the applied voltage is considered [5]. The differential capacitance C diff (v) is not a small signal capacitance. Small signal capacitances always refer to one operating point. A nonlinear differential capacitance at the voltage v 0 can be represented by a tangent at point P (v 0 ; q (v 0 )) ( 11 ).

Taylorreihen werden in der Analysis verwendet, um Funktionen in der Umgebung bestimmter Punkte durch Potenzreihen darzustellen. So können komplizierte analytische Ausdrücke durch eine nach wenigen Gliedern abgebrochene Taylorreihe (meist) gut angenähert werden. Die Taylorreihe einer Funktion in einem Punkt (Entwicklungspunkt) ist die Potenzreihenentwicklung der Funktion an diesem Punkt [6]. So kann auch die Gleichung (3.1) mit dem Entwicklungspunkt v0 in die Taylorreihe

Figure 00090003
bzw. die Veränderung der Ladung gegenüber der Ladung bei v0 in die Taylorreihe
Figure 00090004
umgeformt werden. Die Ableitungen der Ladung nach der Spannung an der Stelle v0 sind zeitlich unabhängig. Damit ergibt sich für Strom mit v(t) – v0 = Δv
Figure 00090005
Taylor series are used in analysis to represent functions in the vicinity of certain points by power series. Thus, complicated analytic expressions can be approximated well by a Taylor series broken off after a few terms. The Taylor series of a function in a point (development point) is the power series evolution of the function at that point [6]. So also the equation (3.1) with the evolution point v 0 into the Taylor series
Figure 00090003
or the change of charge compared to the charge at v 0 in the Taylor series
Figure 00090004
be transformed. The derivatives of the charge after the voltage at the point v 0 are independent in time. This results in current with v (t) - v 0 = Δv
Figure 00090005

Bei kleinen Auslenkungen aus v0 bzw. kleinem Δv kann die Taylorreihe (3.6) mit guter Nährung auf den ersten Term reduziert werden. Man spricht von einer Linearisierung im Stromarbeitspunkt mit einem Gleichanteil IDC = 0 A. Es ergibt sich

Figure 00100001
die Kleinsignalkapazität im Spannungsarbeitspunkt v0 ist. Offensichtlich ist C1(v0) eine Linearisierung im Arbeitspunkt und lediglich eine Funktion der Spannung, bei der die Kapazität betrieben wird. Eine Gegenüberstellung der Gleichungen (3.3) und (3.8) zeigt, dass die Kleinsignalkapazität gleich der differentiellen Kapazität im Spannungsarbeitspunkt ist. Dieser Umstand könnte bei der Ermittlung von Parameter für die Simulation genutzt werden, da eine Kleinsignalkapazität relativ einfach messbar ist (vgl. Abschnitt 3.3. – Datenblattangaben zu Schalterkapazitäten).For small deflections from v 0 or small Δv, the Taylor series (3.6) can be reduced to the first term with good nutrition. One speaks of a linearization in the current working point with a DC component I DC = 0 A. It follows
Figure 00100001
the small signal capacitance at the voltage operating point is v 0 . Obviously, C 1 (v 0 ) is a linearization at the operating point and only a function of the voltage at which the capacitance is operated. A comparison of equations (3.3) and (3.8) shows that the small signal capacitance is equal to the differential capacitance at the voltage operating point. This circumstance could be used in the determination of parameters for the simulation, since a small-signal capacity can be measured relatively easily (see Section 3.3 - Datasheet details on switch capacities).

Eine Großsignalkapazität kann definiert werden als

Figure 00100002
A large signal capacity can be defined as
Figure 00100002

Der Strom durch diese Großsignalkapazität errechnet sich nach Anwendung der Produktregel durch

Figure 00100003
The current through this large signal capacity is calculated by applying the product rule by
Figure 00100003

Die Gleichungen (3.10) und (3.2) sind auf den ersten Blick verschieden. Sie basieren jedoch beide darauf, dass sich der Strom durch die Kapazität aus

Figure 00100004
ergibt.The equations (3.10) and (3.2) are different at first glance. However, they are both based on the fact that the current is characterized by the capacity
Figure 00100004
results.

Durch Einsetzen von Gleichung (3.9) in Gleichung (3.10) wird nachfolgend noch einmal deutlich gemacht, dass die Gleichungen (3.10) und (3.2) zum selben Ergebnis führen. Das könnte mitunter für die Simulation des Kapazitätsstromes interessant sein. Es ergibt sich. aus Gleichung (3.9) unter Anwendung der Quotientenregel

Figure 00100005
und damit aus Gleichung (3.10), (3.11) und (3.9)
Figure 00100006
By substituting Equation (3.9) into Equation (3.10), it is once again made clear that Equations (3.10) and (3.2) produce the same result. This could be interesting for the simulation of the capacitance current. It turns out. from equation (3.9) using the quotient rule
Figure 00100005
and thus from equations (3.10), (3.11), and (3.9)
Figure 00100006

Welche Gleichung zur Ermittlung des Kapazitätsstroms verwendet wird, ist somit eine Frage der Kapazitätsdefinition [5]. Die messtechnische Ermittlung der differentiellen Kapazität C(v(t)) oder auch der Großsignalkapazität C2(v(t)) könnten dem Anwender und Entwickler von Transistoren wichtige Information darüber liefern, wie sich die Schalter kapazitäten während des Schaltens verändern, und so den Einfluss auf das Schaltverhalten mittels Kalkulation der Verschiebeströme durch die Kapazitäten besser. aufzeigen.Which equation is used to determine the capacitance current is thus a question of the capacity definition [5]. The metrological determination of the differential capacitance C (v (t)) or the large signal capacitance C 2 (v (t)) could provide the user and developer of transistors important information about how the switch capacitances change during switching, and so Influence on the switching behavior by means of calculation of the displacement currents through the capacitors better. show.

3.3. Datenblattangaben zu Schalterkapazitäten3.3. Datasheet information on switch capacities

In Datenblättern werden die Kleinsignalkapazitätskennlinien der Eingangskapazität Ciss, der Ausgangskapazität Coss und der Rückwirkungskapazität Crss üblicherweise in Abhängigkeit von der Drain-Source-Spannung VDS bei einer Frequenz f = 1 MHz und einer Gate-Source-Spannung VGS = 0 V dargestellt. Die Kapazitäten Ciss, Coss und Crss sind sowohl von der Drain-Source-Spannung VDS als auch von der Gate-Source-Spannung VGS abhängig. Sie können als Flächen in einem kartesischen Koordinatensystem mit den Dimensionen VDS, VGS und Cxss(VGS; VDS) abgebildet werden. Da eine Gate-Source-Spannung von VGS = 0 V für die Datenblattangaben festgelegt wird, stellen die Diagramme im Datenblatt jedoch lediglich einen Schnitt durch diese Flächen dar, die mitunter nicht einmal die Maximal- und Minimalwerte der spannungsabhängigen Schalterkapazitäten enthalten. Somit sind die Angaben der Datenblätter nicht aussagekräftig dafür, wie sich die Kapazitäten während des Schaltens verändern bzw. wie die Flächen Ciss(VGS; VDS), Coss(VGS; VDS) und Crss(VGS; VDS) durchlaufen werden. Da die Kleinsignalkapazitäten jedoch den differentiellen Kapazitäten im Arbeitspunkt entsprechen, werden sie anschließend kurz definiert und je eine mögliche Messschaltung zu ihrer Ermittlung aufgezeigt, um den Zusammenhang zu den Interelektrodenkapazitäten zu erläutern. Inwiefern diese Beziehungen dann auf die differentiellen Kapazitäten übertragbar sind, muss noch untersucht werden.In data sheets, the small-signal capacitance characteristics of the input capacitance C iss , the output capacitance C oss and the feedback capacitance C rss are usually dependent on the drain-source voltage V DS at a frequency f = 1 MHz and a gate-source voltage V GS = 0V shown. The capacitances C iss , C oss and C rss are dependent both on the drain-source voltage V DS and on the gate-source voltage V GS . They can be mapped as surfaces in a Cartesian coordinate system with the dimensions V DS , V GS and C xss (V GS ; V DS ). However, because a gate-to-source voltage of V GS = 0 V is specified for the data sheet information, the charts in the datasheet are only a section through these areas that may not even include the maximum and minimum values of the voltage-dependent switch capacitances. Thus, the information in the data sheets is not meaningful for how the capacitances change during switching or how the areas C iss (V GS , V DS ), Coss (V GS , V DS ) and C rss (V GS , V DS ). However, since the small-signal capacitances correspond to the differential capacitances at the operating point, they are then briefly defined and a possible measuring circuit for each of them is shown in order to explain the connection to the interelectrode capacitances. To what extent these relationships can then be transferred to the differential capacities still needs to be investigated.

Die Eingangskapazität Ciss wird definiert als Kapazität zwischen dem Gate- und dem Source-Anschluss bei wechselstrommäßigem Kurzschluss zwischen der Drain-Source-Strecke. Unter der Ausgangskapazität Coss versteht man entsprechend die Kapazität zwischen dem Drain- und dem Source-Anschluss bei für Wechselspannung kurzgeschlossenen Gate-Source-Anschlüssen. Als Rückwirkungskapazität Crss wird die Kapazität erfasst, die zwischen dem Drain- und dem Gate-Anschluss bei für Wechselstrom kurzgeschlossener Drain-Source-Strecke gemessen wird. Die vom Deutschen Institut für Normierung angegebenen Messschaltungen mit den entsprechenden Anforderungen, Vorsichtsmaßnahmen und Angaben zur Durchführung der Messung sind in der zurückgezogenen Norm DIN IEC 747 Teil 8 aufgeführt und werden im Rahmen dieser Arbeit nicht näher erläutert. Stattdessen zeigt die 13 andere Messschaltungen zur Bestimmung von Ciss, Coss und Crss sowie die dazugehörigen Ersatzschaltbilder zur Bestimmung der Interelektrodenkapazitäten CGS, CDS, CDG (11), die den oben genannten Kleinsignalkapazitätsdefinitionen genügen [7].The input capacitance C iss is defined as the capacitance between the gate and source terminals in the event of an ac short between the drain-source path. The capacitance between the drain and the source terminal is accordingly understood to mean the capacitance between the output capacitance C oss and the gate-source terminals short-circuited for alternating voltage. The effective capacitance C rss is the capacitance measured between the drain and the gate when the drain-source path is short-circuited for alternating current. The measuring scarf specified by the German Institute for Standardization with the appropriate requirements, precautionary measures and instructions for performing the measurement are in the withdrawn standard DIN IEC 747 Part 8 and will not be further explained in this work. Instead, the shows 13 other measuring circuits for determining C iss , C oss and C rss and the associated equivalent circuit diagrams for determining the interelectrode capacitances C GS , C DS , C DG ( 11 ) satisfying the above-mentioned small-signal capacitance definitions [7].

Die Eingangskapazität Ciss wird entsprechend dem Schaltungsaufbau nach 13a) mit der Gleichung (3.13) berechnet:

Figure 00120001
The input capacitance C iss will be in accordance with the circuit structure 13a ) is calculated using equation (3.13):
Figure 00120001

Der parallel zum Ausgang geschaltete Kondensator schließt die Kapazität über den Ausgangsklemmen für den Wechselstrom kurz. Demnach liegen auch die beiden Kapazitäten CDG und CGS parallel. Es gilt:

Figure 00120002
The capacitor connected in parallel with the output short-circuits the capacitance across the output terminals for the alternating current. Accordingly, the two capacitors C DG and C GS are parallel. The following applies:
Figure 00120002

Aus den gemessenen Wechselgrößen in Schaltung b) ermittelt sich die Ausgangskapazität

Figure 00120003
From the measured variables in circuit b), the output capacitance determined
Figure 00120003

Aus dem Ersatzschaltbild ergibt sich: Coss = CDG + CDS. (3.16) From the equivalent circuit diagram results: C oss = C DG + C DS , (3.16)

Aus den Messschaltungen c) und dem dazugehörigen Ersatzschaltbild ergibt sich

Figure 00120004
From the measuring circuits c) and the associated equivalent circuit diagram results
Figure 00120004

Dabei stimmen die Messschaltungen b) und c) überein. In der Schaltung c) wird allerdings der Strom i1 durch die Eingangs- und nicht der Strom i2 durch die Ausgangsklemmen gemessen. Bei positiven Drain-Source-Spannungen kann jedoch nur ein Teilbereich der Rückwirkungskapazität bzw. die Drain-Gate-Kapazität ermittelt werden. Die bestimmbaren Werte würden zwar der zuvor erläuterten Definition entsprechen, allerdings entstehen während des Schaltens auch negative Drain-Gate-Spannungen, für die mit dieser Methode die Rückwirkungskapazität nicht ermittelt werden kann.In this case, the measuring circuits b) and c) match. In the circuit c), however, the current i 1 is measured by the input and not the current i 2 through the output terminals. For positive drain-source voltages, however, only a portion of the reaction capacitance or the drain-gate capacitance can be determined. Although the determinable values would correspond to the previously explained definition, negative drain gate voltages occur during the switching, for which the reaction capacitance can not be determined with this method.

Wollte man nun mit Hilfe der Messschaltung nach 13 die Kleinsignalkapazitäten während des Schaltens bestimmen, so müsste man zunächst für einen Betriebszustand (gekennzeichnet durch Zwischenkreisspannung VDClink, Laststrom IL, Gatewiderstand RG und Temperatur TJ) die Schaltverläufe für das Ein- und Ausschalten der Transistoren aufnehmen. Danach wäre es erforderlich charakteristische Spannungspunkte (VDS; VGS) aus den Schaltverläufen zu ermitteln und sie in der Messschaltung einzustellen, um schließlich die Kleinsignalkapazitäten aus den Messdaten zu ermitteln. Dieser aufwendige Prozess müsste für verschiedene Zwischenkreisspannungen VDClink, Lastströme IL, Gatewiderstände RG und Temperaturen TJ wiederholt werden, um Aussagen über mögliche Abhängigkeiten machen zu können. Deshalb werden im Rahmen dieser Arbeit die Schalterkapazitäten nach den Definitionsgleichungen (3.3) und (3.9) – die Großsignalkapazität und die differentielle Kapazität – direkt aus den Ein- und Ausschaltmessdaten für verschiedene Arbeitspunkte bestimmt. Dabei gilt es jedoch zu beachten, dass die so ermittelte differentielle Kapazität nicht den Kleinsignalkurzschlusskapazitäten entspricht. Mit den Messdaten werden Daten ausgewertet, die in einem Tiefsetzsteller erzeugt wurden, sodass die Gleichungen (3.14), (3.16) und (3.18) nur bedingt anwendbar sind.If you wanted now with the help of the measuring circuit after 13 determine the small signal capacitances during switching, so you would first for an operating condition (characterized by DC link voltage V DClink , load current I L , gate resistance R G and temperature T J ) record the switching characteristics for switching on and off of the transistors. It would then be necessary to determine characteristic voltage points (V DS , V GS ) from the switching characteristics and to set them in the measuring circuit in order finally to determine the small-signal capacities from the measured data. This complex process would have to be repeated for different intermediate circuit voltages V DClink , load currents I L , gate resistors R G and temperatures T J in order to be able to make statements about possible dependencies. Therefore, in the context of this thesis, the switch capacities according to the definition equations (3.3) and (3.9) - the large signal capacitance and the differential capacitance - are determined directly from the on and off measurement data for different operating points. It should be noted, however, that the differential capacitance thus determined does not correspond to the small-signal short-circuit capacities. The measurement data is used to evaluate data generated in a buck converter, so that the equations (3.14), (3.16) and (3.18) are of limited use.

Die prinzipielle Messschaltung ist in 14 dargestellt. Die Drain-Source-Spannung wurde zwischen P2 und P4 bzw. P3 und P4, die Gate-Source-Spannung zwischen P5 und P4 bzw. P1 und P2 und der Gatestrom zwischen den Treibern und P1 bzw. P5 gemessen. Der Drainstrom konnte aufgrund des vorliegenden Messaufbaus nur vom unteren Schalter mit einem in die Messplatine integrierten Koaxialshunt bestimmt werden. Deshalb sind fast alle Daten am unteren Schalter generiert worden. Dabei wurde für die Diodenmessung die Last zu –VDClink und für die MOSFET-Messung zu + VDClink geklemmt.The principal measuring circuit is in 14 shown. The drain-source voltage was measured between P2 and P4 or P3 and P4, the gate-source voltage between P5 and P4 and P1 and P2 and the gate current between the drivers and P1 and P5. Due to the existing measurement setup, the drain current could only be determined by the lower switch with a coaxial shunt integrated in the measuring board. Therefore, almost all data has been generated at the bottom switch. For the diode measurement, the load was clamped to -V DClink and for the MOSFET measurement to + V DClink .

Für die Messungen sind die Arbeitspunkte durch einen Doppelpuls eingestellt worden. Über die Dauer des ersten Pulses und durch die Wahl der Lastinduktivität wurde der Laststrom eingestellt und seine fallende Flanke bzw. die steigende Flanke des zweiten Pulses dienten zur Messung der Aus- bzw. Einschaltverläufe. Die Daten wurden also nicht im Dauerbetrieb aufgenommen. Eine solche Vorgehensweise bietet den Vorteil, dass bei pulsförmig auftretender Verlustleistung die thermische Impedanz des DUT (Device Under Test) verhindert, dass sich die eingestellte Junktiontemperatur ändert.For the measurements are the working points set by a double pulse Service. About the duration of the first pulse and through the Choice of the load inductance, the load current was set and its falling edge, or the rising edge of the second Pulses were used to measure the switch-off and switch-on characteristics. The Data was not recorded in continuous operation. Such Procedure has the advantage that when pulsed occurring power loss the thermal impedance of the DUT (Device Under Test) prevents the set junction temperature from changing.

3.4. Messdatenglättung3.4. Data smoothing

Der Aufarbeitung der Messdaten zur Auswertung der C-V-Kennlinien kommt eine besondere Bedeutung zu, da die Ermittlung der Kennlinien numerisch erfolgt. Insbesondere bei der numerischen Differentiation sind die verrauschten Messdaten problematisch, weshalb die Messdaten mehrmals mit einem numerischen PT1-Glied geglättet werden. Ein PT1-Glied ist ein Tiefpass, also ein Filter, der Signalanteile mit Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz nahezu ungeschwächt passieren lässt und Signalanteile höherer Frequenzen abschwächt. Im Zeitbereich kann das Proportional-Element mit Verzögerung erster Ordnung mit dem Proportionalbeiwert KP = 1 durch folgende Differentialgleichung definiert werden [8].The processing of the measurement data for the evaluation of the CV characteristics is of particular importance, since the determination of the characteristic curves takes place numerically. Especially in numerical differentiation, the noisy measurement data are problematic, which is why the measurement data are smoothed several times with a numerical PT1 element. A PT1 element is a low-pass filter, ie a filter that lets signal components with frequencies below the cut-off frequency pass through almost unattenuated and attenuates signal components of higher frequencies. In the time domain, the proportional element with first order lag can be defined with the proportional coefficient K P = 1 by the following differential equation [8].

Figure 00140001
Figure 00140001

Diese kann näherungsweise folgendermaßen diskretisiert werdenThese can be discretized approximately as follows become

Figure 00140002
Figure 00140002

Damit ergibt sichIn order to surrendered

Figure 00140003
Figure 00140003

Durch das Filter entsteht eine Phasenverschiebung. Da jedoch für alle zusammengehörigen Spannungs- und Strommessreihen dieselbe Abtastzeit und Zeitkonstante verwendet werden, ist diese für alle Messreihen identisch und besitzt damit für die Auswertung keine weitere Relevanz. Zudem verlieren die Flanken an Steilheit und Amplitude. Bei der Einstellung der Zeitkonstante T musste deshalb ein Optimum zwischen der Eliminierung des Rauschens und der Erhaltung der charakteristischen Schaltverläufe gefunden werden.By the filter creates a phase shift. However, as for all related voltage and current measurement series are the same Sampling time and time constant are used, this is for all measurement series identical and thus owns the evaluation no further relevance. In addition, the flanks lose in steepness and amplitude. When setting the time constant T had therefore an optimum between the elimination of noise and conservation the characteristic switching curves are found.

LegendeLegend

  • x(t)x (t)
    zeitkontinuierliche Regelgrößecontinuous time controlled variable
    y(t)y (t)
    zeitkontinuierliche Stellgrößecontinuous time manipulated variable
    TT
    Zeitkonstante des Proportionalelements mit VerzögerungTime constant of the Proportional element with delay
    T0 T 0
    Abtastzeitsampling
    xk x k
    zeitdiskrete Regelgrößediscrete-time controlled variable
    yk y k
    zeitdiskrete Stellgrößediscrete-time manipulated variable

3.5. Rückwirkungskapazität Crss3.5. Feedback capacitance crss

3.5.1. Bestimmung der Rückwirkungskapazität3.5.1. Determination of the reaction capacity

Sowohl die differentielle Rückwirkungskapazität als auch die Großsignalrückwirkungskapazität wird zunächst für die Ausschaltverläufe bei einem Laststrom von IL = 150 A, einer Zwischenkreisspannung von VDClink = 30 V, einem Gatevorwiderstand RG = 10 Ω und einer Junktiontemperatur von TJ = 25°C ermittelt. Im angesteuerten Zustand betrug die Treiberspannung VDr = 12 V.Both the differential feedback capacitance and the large-signal feedback capacitance are first determined for the turn-off profiles at a load current of I L = 150 A, an intermediate circuit voltage of V DClink = 30 V, a gate resistor R G = 10 Ω and a junction temperature of T J = 25 ° C. , In the driven state, the drive voltage V Dr = 12 V.

Die Ermittlung der Großsignalrückwirkungskapazität erfolgt nach Gleichung (3.9) aus

Figure 00150001
The determination of the large-signal reaction capacity takes place according to equation (3.9)
Figure 00150001

Die differentielle Rückwirkungskapazität kann näherungsweise auf Basis der Gleichungen (3.3) aus

Figure 00150002
bestimmt werden. Dabei sollte i unter Beachtung der Messpunktdichte möglichst klein gewählt werden, um die Genauigkeit der numerischen Differentiation zu erhöhen. Aufgrund des Messrauschens ist es jedoch mitunter notwendig, i > 1 zu wählen, um numerische Probleme (beispielsweise die Division durch Null) zu verringern.The differential feedback capacity can be approximated on the basis of equations (3.3)
Figure 00150002
be determined. In this case, i should be chosen as small as possible, taking into account the measuring point density, in order to increase the accuracy of the numerical differentiation. However, due to the measurement noise, it is sometimes necessary to choose i> 1 to reduce numerical problems (for example, division by zero).

Die Gleichungen zeigen, dass zunächst vereinfachend davon ausgegangen wird, dass die Millerkapazität lediglich von der Drain-Gate-Spannung abhängig ist. Zwischen dem Drain- und dem Gateanschluss kann dann mit den Gleichungen (3.22) und (3.23) die kapazitive Wirkung der gesamten Messschaltung zwischen den beiden Schalterelektroden während des Schaltens bestimmt werden. Die Drain-Gate-Spannung wird entsprechend der Maschenregel für jeden Messpunkt bestimmt: VDGmess(tn) = VDSmess(tn) – VGSmess (tn) (3.24) The equations show that, for the sake of simplification, it is assumed that the Miller capacitance depends only on the drain-gate voltage. Between the drain and gate, equations (3.22) and (3.23) can then be used to determine the capacitive effect of the entire measurement circuit between the two switch electrodes during switching. The drain-gate voltage is determined according to the mesh rule for each measurement point: V DGmess (t n ) = V DSmess (t n ) - V GSmess (t n ) (3.24)

Zur Abschätzung der Ladung Qr(t) in der Rückwirkungskapazität wurde zuerst die Ladungsänderung zwischen zwei Messpunkten abgeschätzt. Dabei musste beachtet werden, dass Kapazitäten passive Bauelemente sind und darum das Verbraucherpfeilsystem angewendet werden sollte. Da VDG und iG jedoch entgegengesetzt definiert sind, wird der negierte Gatestrom verwendet. Die Ladungsinkremente werden somit wie folgt kalkuliert:

Figure 00150003
To estimate the charge Q r (t) in the reaction capacity, the charge change between two measurement points was first estimated. It was important to note that capacities are passive devices and therefore the consumer arrow system should be used. However, since V DG and i G are oppositely defined, the negated gate current is used. The charge increments are thus calculated as follows:
Figure 00150003

Die insgesamt bis zum Zeitpunkt tn ins Gate geflossene Ladung QG ergibt sich dann durch numerische Integration aus der Summenfunktion

Figure 00150004
The total charge Q G which has flowed into the gate up to the time t n is then obtained by numerical integration from the summation function
Figure 00150004

Unter der Bedingung, dass zum Zeitpunkt tv gilt VDG(tV) = 0 V ↔ Qr(tv) = 0 C, (3.27)kann die Ladung Qr in der Rückwirkungskapazität zum Zeitpunkt tn bestimmt werden mit Qr(tn) = QGtot(tn) – QGtot(tv). (3.28) Under the condition that at time t v applies V DG (t V ) = 0 V ↔ Q r (t v ) = 0 C, (3.27) are determined, the charge Q r in the feedback capacitance at the time t n with Q r (t n ) = Q gtot (t n ) - Q gtot (t v ). (3.28)

In den 15, 16, 17 und 18 sind erste Ergebnisse der Auswertung aus den gemessenen Ausschaltverläufen (RG = 10 Ω, IL = 150 A, VDClink = 30 V und TJ = 25°C) dargestellt und zusammengefasst.In the 15 . 16 . 17 and 18 the first results of the evaluation from the measured switch-off characteristics (R G = 10 Ω, I L = 150 A, V DClink = 30 V and T J = 25 ° C) are shown and summarized.

Obwohl die Messdaten, wie in Abschnitt 3.4. – Messdatenglättung – beschrieben, geglättet wurden, wirkt sich das verbliebene Rauschen so stark auf die Qualität der differentiellen Kapazitätskurve aus, dass bei der weiteren Auswertung abgeschätzt werden muss, ob die direkte Ermittlung dieser Kennlinie aus den Messdaten mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Es wird deutlich, dass der Ermittlung, Verarbeitung und Glättung der Messdaten eine große Bedeutung beigemessen werden sollte, wenn numerisch differenziert werden muss. In den verschiedenen Darstellungen der Kapazitätskennlinien (15, 16, 17, 18) offenbaren sich weitere Probleme:

  • 1. Betrachtet man die 15 und 16, so stellt sich die Frage nach der Ursache für die Zunahme der Kapazität nach einer Änderung der Treiberspannung.
  • 2. Bei der Ermittlung der Großsignalkapazität entstehen durch Anwendung der Gleichung (3.22) im Spannungsnulldurchgang numerische Probleme, die mitunter durch eine höhere Datenpunktdichte verringert, aber nicht vollständig beseitigt werden können.
  • 3. Die spannungsabhängigen Schalterkapazitäten scheinen nicht nur von der Spannung über der Kapazität abhängig zu sein, sondern auch davon, wie das Ausgangskennlinienfeld während der Kommutierung durchlaufen wird. Damit sind die Schalterkapazitäten abhängig von: • dem Gatewiderstand RG, der die Schaltgeschwindigkeit beeinflusst, • dem Drainstrom ID, • der Drain-Source-Spannung VDS bzw. der Zwischenkreisspannung VDClink und • der Gate-Source-Spannung VGS bzw. der Treiberspannung VDr. Diese Feststellung muss bei den weiteren Untersuchungen beachtet werden, da je nach dem, wie stark diese Abhängigkeit ausgeprägt ist, bei der Anwendung der Gleichungen (3.3) und (3.9) ein mehr oder weniger großer Fehler gemacht wird. Diese gehen im übertragenden Sinne davon aus, dass die nichtlineare Rückwirkungskapazität ausschließlich von der Drain-Gate-Spannung abhängig ist. Deshalb muss bei der weiteren Auswertung abgeschätzt werden, ob diese Modellvorstellung (Eine Schalterkapazität wird ausschließlich der Spannung über ihren Anschlüssen beeinflusst.) für den vorliegenden Trench Gate MOSFET ausreichend genau ist.
Although the measurement data, as in section 3.4. - Data smoothing - have been described, smoothed, the remaining noise affects so much on the quality of the differential capacitance curve that must be estimated in the further evaluation, whether the direct determination of this characteristic from the measured data with reasonable effort is possible. It becomes clear that the determination, processing and smoothing of the measured data should be given great importance if numerical differentiation is required. In the different representations of the capacity characteristics ( 15 . 16 . 17 . 18 ) reveal further problems:
  • 1. Looking at the 15 and 16 , the question arises as to the cause of the increase in capacity after a change in the drive voltage.
  • 2. In the determination of the large signal capacitance, the application of Equation (3.22) at zero voltage causes numerical problems, which can sometimes be reduced by a higher data point density, but can not be completely eliminated.
  • 3. The voltage-dependent switch capacitances appear not only to depend on the voltage across the capacitance, but also on how the output characteristic field is traversed during commutation. Thus, the switch capacitances are dependent on: • the gate resistance R G , which influences the switching speed, • the drain current I D , • the drain-source voltage V DS or the intermediate circuit voltage V DClink and • the gate-source voltage V GS or the driver voltage V Dr. This finding must be taken into account in the further investigations, since, depending on how strongly this dependence is pronounced, a more or less large error is made in applying equations (3.3) and (3.9). In the transferring sense, these assume that the nonlinear reaction capacitance depends exclusively on the drain-gate voltage. For this reason, it must be estimated in the further evaluation whether this model concept (a switch capacitance is influenced exclusively by the voltage across its terminals) is sufficiently accurate for the present trench gate MOSFET.

Im folgenden Abschnitt wird die Großsignalkapazität getrennt von der differentiellen Kapazität analysiert, um die Darstellungen möglichst übersichtlich gestalten zu können.in the following section will be the large signal capacity analyzed separately from the differential capacity, To make the representations as clear as possible to be able to.

3.5.2. Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Schaltgeschwindigkeit3.5.2. Dependence of the reaction capacity from the switching speed

3.5.2.1. Großsignalrückwirkungskapazität CrssLS(RG)3.5.2.1. Large signal reaction capacity Crss LS (R G )

Die 19 zeigt die ermittelte Großsignalrückwirkungskapazität CrssLS aus Ausschaltverläufen (IL = 150 A; Tj = 25°C und VDClink = 30 V) bei verschiedenen Gatevorwiderständen RG. Es fällt auf, dass, während die Verläufe für RG = 180 Ω und RG = 330 Ω nahezu identisch sind, die C-V-Kurve mit RG = 10 Ω relativ stark von den anderen Kurven abweicht. Zur Analyse der Ursachen für diese Abweichungen zeigen 20 und 21 die zeitlichen Verläufe der beiden Rückwirkungskapazitäten mit RG = 180 Ω und RG = 330 Ω. Der Vergleich dieser Abbildungen mit der 15 lässt vermuten, dass die direkte Auswertung der Messgrößen nicht zu einer Übereinstimmung führen kann, da in den gemessenen Spannungen VDS und VGS die Spannungen über den internen Schalterinduktivitäten und -widerständen sowie den Anschlussinduktivitäten und -widerständen enthalten sind. Um die Spannung zu ermitteln, die am Chip und somit auch an der Rückwirkungskapazität anliegt, müssen die Spannungen über den parasitären Elementen entsprechend mit kalkuliert werden. Wie die Spannungen über den Widerständen und Induktivitäten definiert sind, zeigt 22. Unter Berücksichtigung von Gleichung (3.24) ergibt sich, entsprechend des Maschensatzes, für die Chipspannung UDGchip: UDGchip = VDGmess + VRGint + VLG – VRD – VLD. (3.29) The 19 shows the determined large signal reaction capacity Crss LS from Ausschaltverläufen (I L = 150 A, T j = 25 ° C and V DC link = 30 V) at different gate resistors R G. It is noticeable that while the curves for R G = 180 Ω and R G = 330 Ω are almost identical, the CV curve with R G = 10 Ω deviates relatively strongly from the other curves. To analyze the causes of these deviations show 20 and 21 the time courses of the two reaction capacities with R G = 180 Ω and R G = 330 Ω. The comparison of these figures with the 15 suggests that the direct evaluation of the measured variables can not lead to a match, since the voltages across the internal switch inductances and resistances as well as the connection inductances and resistances are contained in the measured voltages V DS and V GS . In order to determine the voltage applied to the chip and thus also to the reaction capacitance, the voltages across the parasitic elements must be calculated accordingly. How the voltages across the resistors and inductors are defined, shows 22 , Taking equation (3.24) into account, the result for the chip voltage U DGchip , according to the set of sets, is as follows : U DGchip = V DGmess + V RGint + V LG - V RD - V LD , (3.29)

So führen die Spannungsabfälle über den parasitären Elementen, je nach Stromrichtung und Vorzeichen des Stromanstieges gegenüber der Messspannung, zu einer größeren oder kleineren Spannung am Chip. Ein Gefühl für die Größenordnung der Spannungen VR_G, VL_G, VR_D und VL_D und die Beeinflussung der Kapazitäts- und Ladungskurve durch diese Spannungen sollen 23 (Einfluss von RGint), 24 und 25 (Einfluss von LG), 26 (Einfluss von RD) sowie 27 und 28 (Einfluss von LD) vermitteln. Sie stellen den Einfluss der einzelnen parasitären Elemente auf die ursprünglich ermittelten Kennlinien für einen Ausschaltverlauf (RG = 10 Ω, IL = 150 A, VDClink = 30 V und TJ = 25°C) in Abhängigkeit von der Drain-Gate-Spannung dar.Thus, the voltage drops across the parasitic elements, depending on the current direction and sign of the current increase relative to the measuring voltage, lead to a greater or lesser voltage on the chip. A sense of the magnitude of the voltages V R - G , V L - G , V R - D and V L - D and the influence of the capacitance and charge curves by these voltages 23 (Influence of R Gint ), 24 and 25 (Influence of L G ), 26 (Influence of R D ) as well 27 and 28 (Influence of L D ). They represent the influence of the individual parasitic elements on the originally determined characteristic curves for a turn-off characteristic (R G = 10 Ω, I L = 150 A, V DC link = 30 V and T J = 25 ° C) as a function of the drain gate Tension.

So wurde für die Kennlinien CrssLS_RG und QrRG in 23 ein interner Gatewiderstand RGint = 1,4 Ω eingestellt. Die Datenblätter liefern normalerweise keine Information über den internen Gatewiderstand. Der Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Kapazität und Gatestromes in 15, 20 und 21 lässt jedoch die Vermutung zu, dass die Zunahme der Kapazität beim Zurücksetzen der Treiberspannung auf VDr = 0 V aufgrund des Stromes durch den internen Gatewiderstand und die sich ergebende Spannung VRGint entsteht und somit Einfluss auf die gesamte C-Kennlinie hat. Auf Basis dieser Vermutung wurde RGint so eingestellt, dass die C-Kennlinie soweit absinkt, dass mit Änderung der Treiberspannung keine Kapazitätszunahme mehr entsteht. Diese Auswertung liefert also Informationen über die Größenordnung des internen Gatewiderstandes RGint.Thus, for the curves Crss LS_RG and Qr RG in 23 an internal gate resistance R Gint = 1.4 Ω is set. The data sheets usually do not provide information about the internal gate resistance. The comparison of the time course of the capacity and gate current in 15 . 20 and 21 However, it can be assumed that the increase in capacitance when the drive voltage is reset to V Dr = 0 V due to the current through the internal gate resistance and the resulting voltage V RGint and thus has an influence on the entire C-characteristic. On the basis of this assumption, R Gint was adjusted so that the C characteristic curve drops so far that no change in the driver voltage results in an increase in capacity. This evaluation thus provides information about the magnitude of the internal gate resistance R Gint .

Der Einfluss der Gateinduktivität LG ist relativ gering und beschränkt sich lediglich auf den Bereich der Kennlinie, wo der Gatestrom steile Flanken aufweist (vgl. 24 und 25). Die Gateinduktivität wurde mit LG = 25 nH kalkuliert. Wie die Abschätzung anhand der Aufbauzeichnung des verwendeten MOSFET erfolgte, wird in Abschnitt 4.2.2.2. – Bestimmung der Induktivitäten und Widerstände – näher erläutert.The influence of the gate inductance L G is relatively small and is limited only to the region of the characteristic curve where the gate current has steep edges (cf. 24 and 25 ). The gate inductance was calculated as L G = 25 nH. How the estimation was based on the design drawing of the MOSFET used is described in Section 4.2.2.2. - Determination of the inductors and resistors - explained in more detail.

Für die Größenordnung des internen Drainwiderstandes und des Anschlusswiderstandes liegen weder messtechnische Informationen noch Datenblattinformationen vor. Die Kurve in 26 zeigt den Einfluss auf die Kennlinien, wenn die Summe dieser Widerstände 2 mΩ betragen würde. Eine bessere Abschätzung kann eventuell in Abschnitt 3.5.6. – Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität vom Laststrom – erfolgen, wo die Kapazitätskennlinien für verschiedene Lastströme miteinander verglichen werden.For the magnitude of the internal drain resistance and the connection resistance, neither metrological information nor data sheet information is available. The curve in 26 shows the influence on the characteristic curves, if the sum of these resistances amounts to 2 mΩ. A better estimate may be found in section 3.5.6. - Dependence of the reaction capacity on the load current - take place where the capacitance characteristics for different load currents are compared with each other.

Die Draininduktivität beeinflusst die Kennlinien relativ schwach in den Bereichen, wo der Drainstrom steile Flanken aufweist (vgl. 27 und 28). Die Draininduktivität wurde mit LD = 3,5 nH kalkuliert. Wie die Abschätzung erfolgte, wird in Abschnitt 4.2.2.2. – Bestimmung der Induktivitäten und Widerstände – näher erläutert.The drain inductance influences the characteristics relatively weakly in the regions where the drain current has steep edges (cf. 27 and 28 ). The drain inductance was calculated as L D = 3.5 nH. How the estimation was done is described in Section 4.2.2.2. - Determination of the inductors and resistors - explained in more detail.

29 und 30 zeigen die simultane Wirkung der parasitären Elemente. 29 and 30 show the simultaneous action of the parasitic elements.

Die korrigierende Auswertung wurde auch für die CrssLS-Kennlinien mit RG = 180 Ω bzw. RG = 330 Ω durchgeführt. Die Ergebnisse sind in 31 und 32 zusammengefasst. Es fällt auf, dass der Einfluss der parasitären Elemente abhängig von der Schaltgeschwindigkeit bzw. vom Gatewiderstand ist. Die Gegenüberstellung der CrssLS-Kennlinien für verschiedene Gatewiderstände nach der verbesserten Auswertung in 33 zeigt, dass die Kennlinien, von numerischen Problemen abgesehen, in großen Bereichen identisch sind. Das ist ein Indiz dafür, dass die Abschätzung der parasitären Elemente sehr genau ist. Der einzige offensichtliche Unterschied besteht im Bereich der Überspannung, da hier in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit andere Spannungsspitzen erreicht und Schwingungen verschieden stark ausgeprägt werden.The corrected evaluation was also performed for the Crss LS characteristic curves with R G = 180 Ω or R G = 330 Ω. The results are in 31 and 32 summarized. It is noticeable that the influence of the parasitic elements is dependent on the switching speed or gate resistance. The comparison of the Crss LS characteristics for different gate resistors after the improved evaluation in 33 shows that the characteristics, apart from numerical problems, are identical in large areas. This is an indication that the estimation of the parasitic elements is very accurate. The only obvious difference is in the area of the overvoltage, since different voltage peaks are reached depending on the switching speed and vibrations are pronounced differently.

Der Vergleich verdeutlicht auch, dass es sinnvoll ist, die C-Kennlinie aus Schaltverläufen mit möglichst hohen Gatewiderständen zu ermitteln, insbesondere, wenn keinerlei Informationen über die parasitären Elemente vorhanden sind.Of the Comparison also makes it clear that it makes sense to use the C characteristic from switching characteristics with the highest possible gate resistances to determine, in particular, if no information about the parasitic elements are present.

3.5.2.2. Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG)3.5.2.2. Differential reaction capacity Crss diff (R G )

Unter Anwendung der Erkenntnisse des vorherigen Abschnittes kann in diesem Abschnitt auf eine ausführliche Analyse der Abhängigkeit der differentiellen Kapazität vom Gatewiderstand RG verzichtet werden. Die 33 macht deutlich, dass die Ladungskurven Qr(VDG) zur Ermittlung der Großsignalkapazität – unter Berücksichtigung der Spannungsabfälle über den parasitären Widerständen und Induktivitäten für die verschiedenen Gatewiderstände – nahezu identisch sein müssen, wenn man vom Bereich der Überspannung absieht. Aufgrund der sich ergebenden Unterschiede im Bereich der Zwischenkreisspannung muss bei der Bestimmung der Kapazitätskennlinien die Schaltgeschwindigkeit beim Fitten berücksichtigt werden. Deshalb wird die Ermittlung der differenziellen Rückwirkungskapazität für einen schnellen (RG = 10 Ω) und einen sehr langsamen (RG = 330 Ω) Ausschaltverlauf näher erläutert. 15, 16, 17 und 18 verdeutlichen jedoch, dass die direkte Ermittlung dieser Kapazitätskennlinie aus den Messdaten für weite Bereiche qualitativ nicht zufrieden stellend sein kann. Die schlechte Qualität der Kennlinie wird durch die numerische Differentiation der verrauschten Kennlinie Qr(VDG) hervorgerufen. Direktes Fitten der in Abschnitt 3.5.1. – Bestimmung der Rückwirkungskapazität – ermittelten Cdiff(VDG)-Kennlinie führt zu keinem sinnvollen Ergebnis. Daher werden nachfolgend zwei Varianten erläutert, wie man die differentielle Kapazität Crssdiff aus den bisherigen Ergebnissen bestimmen kann, und am Beispiel der C-Kennlinien für die genannten Gatewiderstände miteinander verglichen.Using the findings of the previous section, a detailed analysis of the dependence of the differential capacitance on the gate resistance R G can be omitted in this section. The 33 shows that the charge curves Qr (V DG ) for determining the large signal capacitance - taking into account the voltage drops across the parasitic resistors and inductors for the different gate resistances - must be almost identical, except for the range of the overvoltage. Due to the resulting differences in the area of the DC link voltage, the switching speed of the fitting must be taken into account when determining the capacitance characteristics. Therefore, the determination of the differential reaction capacity for a fast (R G = 10 Ω) and a very slow (R G = 330 Ω) Ausschaltverlauf is explained in more detail. 15 . 16 . 17 and 18 make it clear, however, that the direct determination of this capacitance characteristic from the measurement data can be qualitatively unsatisfactory for large areas. The poor quality of the characteristic curve is caused by the numerical differentiation of the noisy characteristic Qr (V DG ). Direct fitting in section 3.5.1. - Determination of the reaction capacity - determined C diff (V DG ) characteristic does not lead to a meaningful result. Therefore, two variants are explained below, how to determine the differential capacitance Crss diff from the previous results, and compared with each other using the example of the C characteristic curves for the mentioned gate resistors.

Variante 1version 1

Es ist offensichtlich, dass das Fitten der Kennlinie Qr(VDG) die numerischen Probleme bei der Ermittlung der differentiellen Kapazität beheben wurde. Das Verfahren lässt außerdem die Vermutung zu, dass die gefittete Ladungskennlinie Qr(VDG) auch die Qualität der Großsignalkapazität verbessert. Nachteilig steht dem gegenüber, dass in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit im Bereich der Überspannung mitunter keine eineindeutige Zuordnung vorliegt. Je schneller der Schaltvorgang ist, umso stärker tritt dieser Effekt hervor. Somit muss beim Fitten in diesen Bereichen eine sinnvolle Nährung vorgenommen werden.It is obvious that the fitting of the characteristic Qr (V DG ) would solve the numerical problems in the determination of the differential capacity. The method also allows the assumption that the fitted charge characteristic Qr (V DG ) also improves the quality of the large signal capacity. A disadvantage is the fact that sometimes there is no one-to-one correspondence depending on the switching speed in the area of the overvoltage. The faster the switching process, the stronger this effect will be. Thus, in the fit in these areas, a meaningful nutrition must be made.

Variante 2Variant 2

In Abschnitt 3.2 – Nichtlineare Kapazität – Großsignal- und Kleinsignalkapazität – wurden die Grundlagen zur Ermittlung der Großsignalkapazität und der differentiellen Kapazität erklärt. Demnach ergibt sich nach dem Gleichsetzen der Stromgleichungen (3.2) und (3.10) und entsprechenden Umformungen:

Figure 00190001
Section 3.2 - Nonlinear Capacitance - Large Signal and Small Signal Capacitance - explains the basics for determining large-signal capacity and differential capacitance. Thus, after equating the current equations (3.2) and (3.10) and corresponding transformations, we obtain:
Figure 00190001

Unter Anwendung dieses Zusammenhangs kann die differentielle Kapazität ermittelt werden. Allerdings würden dieselben numerischen Probleme bei der direkten Differentiation der Ladungskurve auftreten, wenn die Umformung auf Basis der ermittelten CrssLS(VDG)-Kennlinie erfolgen würde. Deshalb muss auch die CrssLS(VDG)-Kennlinie gefittet werden. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, dass der Zusammenhang zwischen der Großsignalkapazität und der differentiellen Kapazität verdeutlicht wird. Allerdings ergeben sich beim Fitten der CrssLS(VDG)-Kennlinie dieselben Probleme wie beim Fitten der Qr(VDG)-Kennlinie.Using this relationship, the differential capacitance can be determined. However, the same numerical problems would occur in the direct differentiation of the charge curve, if the conversion would take place on the basis of the determined Crss LS (V DG ) characteristic curve. Therefore, the Crss LS (V DG ) characteristic must also be fitted. Advantage of this approach is that the relationship between the large signal capacity and the differential capacity is clarified. However, fitting the Crss LS (V DG ) characteristic gives the same problems as fitting the Qr (V DG ) characteristic.

Prinzipiell sind die beiden Varianten gleichwertig. Allerdings sind beim Vergleich der ermittelten Kennlinien Abweichungen zu erwarten, die sich dadurch ergeben, dass die Kennlinien durch Polynomapproximation unterschiedlich gut nachbildbar sind. Beim Fitten der CrssLS(VDG)- bzw. der Qr(VDG)-Kennlinie werden die Werte der Polynomkoeffizienten des Polynoms

Figure 00200001
mit Hilfe von TableCurve 2D ermittelt, wobei die Abszisse x der Drain-Gate-Spannung und die Ordinate y der Großsignalkapazität CrssLS bzw. der Ladung Qr entspricht.In principle, the two variants are equivalent. However, deviations are to be expected when comparing the determined characteristic curves, which result from the fact that the characteristic curves can be simulated differently well by polynomial approximation. When fitting the Crss LS (V DG ) or the Qr (V DG ) characteristic, the values of the polynomial coefficients of the polynomial become
Figure 00200001
with the aid of TableCurve 2D, where the abscissa x corresponds to the drain-gate voltage and the ordinate y corresponds to the large-signal capacitance Crss LS or the charge Qr.

Nachfolgend wird die differentielle Kapazität zunächst bei einem Gatewiderstand von 330 Ω ermittelt. 34 vergleicht die nach Variante 1 ermittelte Kennlinie Crssdiff_1(VDG) mit der Crssdiff(VDG)-Kennlinie, die sich unter Berücksichtigung der parasitären Elemente aus den Messdaten ergibt, und zeigt, wie die Qr(VDG) gefittet wurde.Subsequently, the differential capacitance is first determined at a gate resistance of 330 Ω. 34 compares the characteristic curve Crss diff_1 (V DG ) determined according to Variant 1 with the Crss diff (V DG ) characteristic curve, which results from the measured data taking into account the parasitic elements, and shows how the Qr (V DG ) was fitted.

Die Anwendung der Gleichungen (3.3) und (3.23) machen deutlich, dass es beim Fitten nicht so sehr auf die absoluten Werte der Qr-Kennlinie ankommt, sondern es viel wichtiger ist, dass die entsprechenden Anstiege über weite Kennlinienbereiche so gilt wie möglich nachgebildet werden. Beim Durchlaufen der Qr-Kennlinie während des Ausschaltens nimmt Qr beständig zu und hat somit einen positiven Anstieg dQr/dt auch in dem Bereich, wo nicht mehr von einer eineindeutigen Zuordnung gesprochen werden kann. Die Differentiation der in 34 dargestellten Kennlinie Qrfit(VDG) ergibt bei den Ausschaltverläufen, aber dort wo die Drain-Gate-Spannung kurzzeitig absinkt, eine negative differentielle Kapazität, da Qr zwar zu- VDG jedoch abnimmt. Da dieser Bereich jedoch eine vergleichsweise geringe Bedeutung hat, wird er bei der Approximation vernachlässigt. Die Bereiche der Kennlinie Qr, die eine positive differentielle Kapazität zur Folge haben, sind jedoch so approximiert, dass zwar die absoluten Werte der Kennlinie im Bereich der Zwischenkreisspannung nicht exakt sind, wohl aber der Anstieg dQr/dVDG.The application of equations (3.3) and (3.23) makes it clear that in the case of fit, the absolute values of the Qr characteristic are not so important, but it is much more important that the corresponding increases over wide ranges of characteristics are reproduced as much as possible , When passing through the Qr characteristic during turn-off Qr increases steadily and thus has a positive increase dQr / dt even in the area where it can no longer be said that there is a one-to-one correspondence. The differentiation of in 34 shown characteristic curve Qr fit (V DG ) results in the Ausschaltverläufen, but where the drain-gate voltage drops briefly, a negative differential capacitance , since Qr decreases, however, to -V DG . However, since this area has a comparatively minor importance, it is neglected in the approximation. However, the ranges of the characteristic curve Qr, which result in a positive differential capacitance, are approximated in such a way that, although the absolute values of the characteristic in the region of the intermediate circuit voltage are not exact, the increase dQr / dV DG does.

In 35 wird der zeitliche Verlauf der Kennlinien dargestellt. Beide Abbildungen machen zudem deutlich, dass die Ladungskurve auch für sehr langsame Schaltverläufe durch das Polynom nach erreichen der Überspannung nicht richtig nachbildbar ist.In 35 the time characteristic of the characteristic curves is shown. Both figures also make it clear that the charge curve can not be reproduced correctly, even for very slow switching characteristics through the polynomial after reaching the overvoltage.

Allerdings haben die vorgenommenen Approximationen einen geringen Einfluss auf die differentielle Kapazität. Lediglich der Bereich des Kapazitätsverlaufs in dem die Kapazität kurzzeitig zurückgeht, ist fehlerbehaftet.Indeed the approximations made have little influence on the differential capacity. Only the area the capacity history in which the capacity is short-term is going back, is buggy.

36 zeigt, dass die Verwendung des Polynoms zur Ermittlung der Großsignalkapazität zu einer Polstelle bei VDG = 0 V führt. Somit ist die gefittete Qr(VDG)-Kennlinie nicht dazu geeignet, die Großsignalkapazität zu bestimmen. Außerdem hat die Approximation im Bereich der Zwischenkreisspannung einen Einfluss auf die Großsignalkapazität und verfälscht diese entsprechend stärker. 36 shows that the use of the polynomial to determine the large signal capacitance results in a pole at V DG = 0V. Thus, the fitted Qr (V DG ) characteristic is not suitable for determining the large signal capacity. In addition, the approximation in the area of the intermediate circuit voltage has an influence on the large signal capacity and falsifies it correspondingly more.

37 zeigt Ergebnisse der Auswertung nach Variante 2 für zwei verschiedene Polgnome für CrssLS. Es fällt auf, dass die Crssdiff(VDG)-Kennlinie sehr empfindlich auf den Fit der Großsignalkapazität reagiert. Deshalb sollte die Auswahl der Koeffizienten sehr sorgfältig erfolgen. Die differentielle Kapazität ist insbesondere abhängig davon, wie die Approximationsfunktion jenseits der Messpunkte weiter verläuft (siehe 38 (Fit A für CrssLS) und 39 (Fit B für CrssLS)). Hinzukommt, dass nach Gleichung (3.30) sowohl der Wert CrssLS als auch der Anstieg dCrssLS/dVDG der Kennlinie in die Kalkulation der differentiellen Kapazität eingeht. Vergleicht man jedoch die Ergebnisse der beiden Varianten, so wird deutlich, dass sie, wie erwartet, zu ähnlichen Ergebnissen führen (vgl. 40). 37 shows results of the evaluation according to variant 2 for two different polynomials for Crss LS . It is noticeable that the Crss diff (V DG ) characteristic is very sensitive to the fit of the large signal capacitance. Therefore, the selection of coefficients should be done very carefully. The differential capacitance depends, in particular, on how the approximation function continues beyond the measuring points (see FIG 38 (Fit A for Crss LS ) and 39 (Fit B for Crss LS )). In addition, according to equation (3.30), both the value Crss LS and the increase dCrss LS / dV DG of the characteristic curve are included in the calculation of the differential capacitance. However, if one compares the results of the two variants, it becomes clear that, as expected, they lead to similar results (cf. 40 ).

Während die Ermittlung der Crssdiff-Kennlinie für langsame Ausschaltverläufe relativ unkompliziert erscheint, ist das Fitten der schnellen Ausschaltverläufe aufgrund der Spannungsschwingungen nur für bestimmte Bereiche möglich. Im Folgenden werden die beiden Ermittlungsvarianten der Kapazität Crssdiff für einen schnellen Ausschaltvorgang (RG = 10 Ω) noch einmal einander gegenübergestellt.While the determination of the Crss diff characteristic curve for slow turn-off profiles seems relatively straightforward, the fitting of the fast turn-off characteristics due to the voltage oscillations is only possible for certain areas. In the following, the two determination variants of the capacitance Crss diff are again compared with one another for a fast switch-off process (R G = 10 Ω).

Variante 1version 1

41 zeigt zunächst das Polynom, das von TableCurve 2D aus den Messdaten (VDG(t); Qr(t)) ermittelt wurde, und die dazugehörige differentielle Kapazität. Auf den ersten Blick scheint das ermittelte Polynom durchaus gerechtfertigt zu sein, denn es bildet gewissermaßen einen Mittelwert der Messpunkte in dem Bereich, wo keine eineindeutige Zuordnung vorhanden ist. Mit Hilfe dieses Polynoms wird der richtige Endwert der Ladung erreicht, und im quasi stationären Zustand hat die differentielle Kapazität einen Wert nahe Null. Unter Berücksichtigung der physikalischen Zusammenhänge und Betrachtung der zu fittenden Funktion wird jedoch deutlich, dass dieses Polynom nicht verwendet werden kann. Die Ladung in der Rückwirkungskapazität steigt kontinuierlich an. Verwendet man hingegen das ermittelte Polynom, so würde das bedeuten, dass der Strom zunächst bis zum Erreichen der Zwischenkreisspannung in die Kapazität, bis zum Erreichen der Spannungsspitze aus der Kapazität und dann bis zum stationären Endzustand abwechselnd hinein und hinaus fließen würde. Unter Beachtung der zeitlichen Zusammenhänge ist der Anstieg der Ladungskurve jedoch durchweg positiv und wird nach Erreichen der Spannungsspitze bis zum stationären Zustand tendenziell kleiner. Da es nicht möglich ist, die Qr(VDG)-Kennlinie richtig zu fitten, wird für die schnellen Ausschaltverläufe empfohlen, die Kennlinie bis zur maximalen Spannung zu approximieren und aus dieser Funktion die differentielle Kapazität zu ermitteln. Der Applikant muss sich dann der Tatsache bewusst sein, dass die Kennlinie bis zur Spannungsspitze gilt und der Wert der differentiellen Kapazität danach tendenziell kleiner ist als der Wert, der bei der entsprechenden Spannung in der Kennlinie angegeben ist. 42 zeigt die ermittelte Kennlinie. 41 shows first the polynomial, which was determined by TableCurve 2D from the measured data (V DG (t); Qr (t)), and the corresponding differential capacitance. At first glance, the polynomial seems to be justified, as it effectively forms an average of the measurement points in the area where there is no one-to-one correspondence. With the aid of this polynomial, the correct final value of the charge is achieved, and in the quasi-stationary state, the differential capacitance has a value close to zero. However, taking into account the physical relationships and consideration of the function to be adopted, it becomes clear that this polynomial can not be used. The charge in the reaction capacity increases continuously. If, on the other hand, the determined polynomial is used, this would mean that the current would flow alternately into and out of the capacitor until it reaches the intermediate circuit voltage, until it reaches the voltage peak from the capacitance and then to the stationary final state. However, taking into account the temporal relationships, the increase in the charge curve is consistently positive and tends to decrease after the voltage peak reaches steady state. Since it is not possible to fit the Qr (V DG ) characteristic correctly, it is recommended to approximate the characteristic curve up to the maximum voltage for the fast switch-off characteristics and to determine the differential capacitance from this function. The applicator must then be aware of the fact that the characteristic applies to the voltage peak and the value of the differential capacitance thereafter tends to be smaller than the value which is indicated at the corresponding voltage in the characteristic curve. 42 shows the determined characteristic.

Bei genauer Betrachtung der Crssdiff(VDG)-Kennlinie fällt noch etwas auf, was das zuvor empfohlene Vorgehen rechtfertigt. Zur Verdeutlichung zeigt 43 einen „Zoom" in 42. So schlecht die Qualität der Kennlinie Crssdiff in einigen Bereichen auch sein mag, so bestätigt diese Abbildung doch die vorherigen Aussagen und lässt eine weitere Aussage über die differentielle Kapazität nach der Überspannung zu. So ist die differentielle Kapazität nach der Überspannungsspitze bei schnellen Schaltvorgängen während der positiven Spannungsanstiege wesentlich kleiner als vorher. Die empfohlene Modellierung der Kennlinie bis zur Überspannungsspitze berücksichtigt also den Einfluss der Rückwirkungskapazität sehr gut, danach werden zu große Kapazitätswerte angesetzt, was die kalkulierten bzw. simulierten Schaltverläufe in diesem Bereich zu langsam macht. Während der negativen Drain-Source-Spannungsanstiege ist die differentielle Kapazität negativ. Mit diesem Wissen kann die Kennlinie auch als Betrag ausgewiesen werden:

Figure 00220001
A closer look at the Crss diff (V DG ) curve reveals something that justifies the previously recommended procedure. For clarity shows 43 a "zoom in" 42 , As bad as the quality of the Crss diff characteristic may be in some areas, this figure confirms the previous statements and allows a further statement about the differential capacitance after the overvoltage. Thus, the differential capacitance after the overvoltage peak during fast switching operations during the positive voltage increases is much smaller than before. The recommended modeling of the characteristic curve up to the overvoltage peak thus takes into account the influence of the retroaction capacity very well, then too large capacitance values are applied, which makes the calculated or simulated switching characteristics in this range too slow. During the negative drain-source voltage increases, the differential capacitance is negative. With this knowledge, the characteristic curve can also be shown as an amount:
Figure 00220001

Durch diese Maßnahme wird der untere Teil der Kennlinie nach oben gespiegelt (vgl. 44). Aufgabe eines Applikationsingenieurs wäre es dann, diesen Zusammenhang falls es notwendig ist zu berücksichtigen.By this measure, the lower part of the characteristic is mirrored upward (see. 44 ). The task of an application engineer would then be to consider this relationship if necessary.

Aus den 43 und 44 lassen sich folgende weitere Aussagen ableiten:

  • • Crssdiff(VDG) kann für die lokalen Hoch- und Tiefpunkte der Drain-Gate-Spannung numerisch nicht bestimmt werden, da dort die Gleichungen (3.27) und (3.28) nicht anwendbar ist (Die Division durch Null ist nicht möglich).
  • • Die differentielle Kapazität bricht bei schnellen Schaltverläufen nach der Spannungsspitze betragsmäßig zusammen. Dabei liegt während des Schwingens der Spannung das Minimum der differentiellen Kapazität bei VDClink. Bei höheren und niedrigeren Drain-Gate-Spannungen erhöht sich die differentielle Kapazität.
  • • Je kleiner die Amplitude der schwingenden Drain-Gate-Spannung wird, umso tiefer liegt das Minimum bis die differentielle Rückwirkungskapazität schließlich im stationären Zustand 0 nF beträgt.
From the 43 and 44 the following further statements can be derived:
  • • Crss diff (V DG ) can not be determined numerically for the local high and low points of the drain-gate voltage, since the equations (3.27) and (3.28) are not applicable there (the division by zero is not possible).
  • • The differential capacity collapses according to the peak voltage in the case of fast switching processes. During the swing of the voltage, the minimum of the differential capacitance lies at V DClink . At higher and lower drain-gate voltages, the differential capacitance increases.
  • • The smaller the amplitude of the oscillating drain-gate voltage, the lower the minimum until the differential reaction capacitance finally reaches 0 nF in the stationary state.

Variante 2Variant 2

Die gewonnenen Kenntnisse aus dem Fitten der Ladungskurve werden entsprechend auf diese Auswertungsvariante übertragen. So wird die CrssLS-Kennlinie bis zur maximalen Drain-Gate-Spannung gefittet. 45 stellt zwei verschiedene Fitfunktionen CrssLS_fitA und CrssLS_fitB und die daraus ermittelten differentiellen Kapazitäten Crssdiff_A und Crssdiff_B dar und verdeutlicht wiederum, wie empfindlich die differentielle Kapazität auf die Fitfunktionen reagiert.The knowledge gained from the fit of the charge curve is transferred accordingly to this evaluation variant. Thus, the Crss LS characteristic is fitted to the maximum drain-gate voltage. 45 represents two different fit functions Crss LS_fitA and Crss LS_fitB and the differential capacitances Crss diff_A and Crss diff_B determined therefrom and again shows how sensitive the differential capacitance reacts to the fit functions.

46 vergleicht die Methoden 1 und 2 miteinander und verdeutlicht, dass beide Methoden auch für die schnellen Ausschaltverläufe gleichwertig sind. Dabei stehen die Indizes „1" und „2" für die Variante, die zur Ermittlung der differentiellen Kapazität verwendet wurde, und „A" und „B" für die Fitfunktion selbst. 46 compares methods 1 and 2 with each other and makes clear that both methods are also equivalent for fast turn-off characteristics. In this case, the indices "1" and "2" stand for the variant used to determine the differential capacitance, and "A" and "B" for the fit function itself.

47 bildet die ermittelten Verläufe der differentiellen Kapazitäten für drei verschiedene Gatewiderstände ab. Es fällt auf, dass auch die Crssdiff-Kennlinien über weite Bereiche gleich sind. Erst bei größeren Drain-Gate-Spannungen steigen die Kennlinien in Abhängigkeit vom Gatewiderstand wieder an. 48 zeigt zusätzlich zu 47 noch den Zeitverlauf über der Drain-Gate-Spannung während des Schaltens. Für den 10 Ω – Verlauf ist die Kennlinie nur bis zum Erreichen der Überspannung dargestellt. Das Diagramm lässt die Vermutung zu, dass diese Zeitfunktionen in bestimmten Bereichen skalierbar sind. Durch weitere Untersuchungen kann vielleicht eine Funktion Crssdiff abgeleitet werden, die das Ansteigen der C-Kennlinie in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG berücksichtigt. 47 forms the ascertained curves of the differential capacitances for three different gate resistors stand off. It is noticeable that the Crss diff characteristics are also the same over large areas. Only at larger drain-gate voltages, the characteristics rise again depending on the gate resistance. 48 shows in addition to 47 still the time course over the drain-gate voltage during switching. For the 10 Ω curve, the characteristic is only shown until the overvoltage is reached. The diagram suggests that these time functions are scalable in certain areas. Further investigation may perhaps derive a function Crss diff , which takes into account the increase of the C-characteristic as a function of the gate resistance R G.

Neben den beschriebenen Varianten 1 und 2 wurde ein weiterer Versuch zur Ermittlung der differentiellen Kapazität mit RG = 10 Ω durchgeführt. Erhöht man die Zeitkonstante des PT1-Gliedes, so werden die Messdaten stärker geglättet. Das bedeutet jedoch auch, dass die Flankensteilheit verloren geht und die Amplituden fallen (vgl. 49). Umso überraschender ist die Crssdiff-Kennlinie, die aus diesen Verlaufen ermittelt wird. 50 entspricht 41. Qr und Crssdiff ergeben sich aus den stark geglätteten Messdaten. Als Referenz ist der Fit der Qr-Kennlinie, die aus den ursprünglichen, wesentlich schwacher geglätteten Messdaten bestimmt wurde, und die sich daraus ergebende CrssdiffB-Kennlinie in der Abbildung dargestellt. Die Abbildung verdeutlicht, dass diese Auswertung zu vergleichbaren Ergebnissen führt, lediglich der Effekt des Einbrechens der differentiellen Kapazität nach der Spannungsspitze geht verloren. Dieser Effekt kann in einem einfachen Simulator jedoch ohnehin nicht berücksichtigt werden. So liefert dieses Vorgehen viele notwendigen Informationen zur Parametrierung des Simulators und ist demnach gleichwertig und weniger aufwendig.In addition to the described variants 1 and 2, another attempt to determine the differential capacitance with R G = 10 Ω was performed. If the time constant of the PT1 element is increased, the measured data are smoothed out more. However, this also means that the edge steepness is lost and the amplitudes fall (cf. 49 ). All the more surprising is the Crss diff characteristic curve, which is determined from these curves. 50 corresponds to 41 , Qr and Crss diff result from the strongly smoothed measurement data. For reference, the fit of the Qr characteristic, which was determined from the original, much weaker smoothened measurement data, and the resulting Crss diffB characteristic is shown in the figure. The figure illustrates that this evaluation leads to comparable results, only the effect of breaking down the differential capacitance after the voltage spike is lost. However, this effect can not be taken into account in a simple simulator anyway. Thus, this procedure provides a lot of information necessary for the parameterization of the simulator and is therefore equivalent and less expensive.

3.5.2.3. Zusammenfassung Abschnitt 3.5.2.3.5.2.3. Summary Section 3.5.2.

  • • Die Großsignalrückwirkungskapazität ist relativ unabhängig vom Gatewiderstand RG.The large signal feedback capacity is relatively independent of the gate resistance R G.
  • • Die Schaltgeschwindigkeit beeinflusst den Bereich der Kennlinie relativ stark, wo durch verschieden starke Anstiege des Drainstromes Überspannungen unterschiedlich stark ausgeprägt werden.• The switching speed affects the range the characteristic relatively strong, where by different strong increases the drain current overvoltages pronounced different degrees become.
  • • Der Einfluss der parasitären Widerstände und Induktivitäten auf die aus Messdaten ermittelten Kennlinien ist umso kleiner, je größer der Gatewiderstand ist.• The influence of parasitic resistances and inductances on the characteristic curves determined from measured data the smaller, the greater the gate resistance.
  • • Es gibt eine Methode zur messtechnischen Ermittlung des internen Gatewiderstandes.• There is a method for metrological determination of the internal gate resistance.
  • • Die Großsignalrückwirkungskapazität kann bei kleinen Gatewiderständen nur bis zum Maximum der Drain-Gate-Spannung durch ein Polynom approximiert werden.• The large signal feedback capacity can only operate at low gate resistances up to the maximum of the drain-gate voltage be approximated by a polynomial.
  • • Die Großsignalrückwirkungskapazität kann für sehr große Gatewiderstände mit guter Näherung durch ein Polynom nachgebildet werden.• The large signal feedback capacity can be used for very large gate resistances good approximation can be modeled by a polynomial.
  • • Es bleibt die Frage, durch welchen (physikalischen) Effekt bei langsamen Schaltvorgängen der Anstieg der Kapazitätskennlinien nach der Spannungskommutierung und das Zusammenbrechen der differentiellen Kapazität bei kleinen Gatewiderständen nach Erreichen der Spannungsspitze verursacht wird.• The question remains, by which (physical) Effect on slow switching operations, the increase in capacitance characteristics after the voltage commutation and the breakdown of the differential capacitance with small gate resistances after reaching the voltage peak is caused.
  • • Zur Ermittlung einer qualitativ hochwertigen differentiellen Rückwirkungskapazität muss entweder die Ladungskurve Qr(VDG) oder die Großsignalrückwirkungskapazität in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit sinnvoll durch ein Polynom approximiert werden.• In order to determine a high-quality differential reaction capacity, either the charge curve Qr (V DG ) or the large-signal reaction capacity as a function of the switching speed must be sensibly approximated by a polynomial.
  • • Die differentielle Rückwirkungskapazität lässt sich aus der Großsignalrückwirkungskapazität ableiten.• The differential feedback capacity can be derived from the large signal reaction capacity derived.
  • • Auch die differentielle Rückwirkungskapazität ist relativ unabhängig vom Gatewiderstand RG, aber der Einfluss der Schaltgeschwindigkeit auf die Kennlinie im Bereich der Zwischenkreisspannung ist sehr groß.• The differential feedback capacitance is also relatively independent of the gate resistance R G , but the influence of the switching speed on the characteristic in the area of the DC link voltage is very high.
  • • Durch eine verstärkte Glättung der Messdaten kann die differentielle Kapazität relativ einfach und genau bestimmt werden.• Due to increased smoothing The measurement data may be relative to the differential capacitance be determined easily and accurately.

3.5.3. Parallelen zwischen Rückwirkungskapazität und MOS-Kapazität3.5.3. Parallels between feedback capacity and MOS capacity

Die Betrachtung der Rückwirkungskapazität in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit hat gezeigt, dass sich die Kapazitäten bei großen positiven Drain-Gate-Spannungen je nach verwendetem Gatewiderstand unterschiedlich verhalten:

  • • Die Großsignalrückwirkungskapazität vergrößert sich beim langsamen Ausschalten im Zeitverlauf ab einer bestimmten, vom Gatewiderstand abhängigen positiven Drain-Gate-Spannung (33).
  • • Auch bei schnellen Ausschaltverläufen steigt die Großsignalrückwirkungskapazität nach der Überspannungsspitze zunächst an, fällt und steigt dann jedoch mit dem Spannungsschwingen und erreicht denselben Endwert wie die Kapazitätswerte, die aus den langsamen Verläufen ermittelt wurden (33).
  • • Beim Ausschalten steigen die differentiellen Kapazitäten bei positiven Drain-Gate-Spannungen in Abhängigkeit vom Gatewiderstand bei verschiedenen Drain-Gate-Spannungen wieder an.
  • • Bei schnellen Ausschaltvorgängen vergrößert sich die differentielle Kapazität Crssdiff nach der Überspannung nicht weiter, sondern liegt während des Einschwingens auf die Zwischenkreisspannung unter der Kennlinie, die bis zur Überspannung ermittelt wurde.
  • • Dagegen steigt bei langsamen Ausschaltvorgängen die differentielle Kapazität Crssdiff nach dem Übergang in den waagerechten Bereich ab einer vom verwendeten Gatewiderstand abhängigen positiven Drain-Gate-Spannung wieder an.
The consideration of the feedback capacitance as a function of the switching speed has shown that the capacitances behave differently for large positive drain-gate voltages depending on the gate resistance used:
  • • The large signal feedback capacity increases with the slow turn-off over time from a certain, dependent on the gate resistance positive drain-gate voltage ( 33 ).
  • • Even with fast turn-off characteristics, the large-signal feedback capacitance initially rises after the overvoltage peak, but then drops and then rises with the voltage swing and reaches the same final value as the capacitance values obtained from the slow-running waveforms ( 33 ).
  • • On turn-off, the differential capacitances increase at positive drain-to-gate voltages as a function of gate resistance at different drain-to-gate voltages.
  • • In the case of fast switch-off processes, the differential capacitance Crss diff does not increase further after the overvoltage, but lies below the characteristic that was determined up to the overvoltage during the transient to the intermediate circuit voltage.
  • • On the other hand, with slow turn-off operations, the differential capacitance Crss diff increases after the overshoot transition in the horizontal range from a dependent of the used gate resistance positive drain-gate voltage again.

Bisher wurde im Rahmen dieser Arbeit auf eine halbleiterphysikalische Betrachtung der Rückwirkungskapazität und auf eine Erläuterung, durch welche Struktur das kapazitive Verhalten verursacht wird, verzichtet. Es stellt sich jedoch die Frage, wodurch die starke Spannungsabhängigkeit der Rückwirkungskapazität hervorgerufen wird und wie die zuvor beschriebenen Effekte zustande kommen.So far was considered in this work on a semiconductor-physical view the reaction capacity and an explanation, which structure causes the capacitive behavior, waived. However, the question arises, causing the strong Voltage dependence of the reaction capacity caused will and how the effects described above come about.

Die Rückwirkungskapazität wird während des Schaltens zwischen Gate und Drain ermittelt. Vergleicht man die MOSFET-Zelle mit Trench Gate (51) mit einem MOS-Kondensator (52) so wird deutlich, dass die Rückwirkungskapazität im Wesentlichen einen Kondensator mit dem Schichtaufbau Metall – Oxid – Halbleiter darstellt. Es besteht also ein Zusammenhang zwischen der differentiellen Rückwirkungskapazität, die aus den dynamischen Messungen ermittelt wird, und der Kleinsignalkapazität von MOS-Strukturen bzw. das Verhalten dieser Kapazitäten müsste Parallelen aufweisen. Nachfolgend werden deshalb Zustände an der Halbleiteroberfläche eines idealen MOS-Kondensators vereinfacht erläutert, die sich entsprechend der angelegten Gatespannung ergeben. Eine ausführlichere Erläuterung, einschließlich der halbleiterphysikalischen Grundlagen, kann in der zahlreich vorhandenen Literatur zu diesem Thema nachgelesen werden.The feedback capacitance is determined during the switching between gate and drain. Comparing the MOSFET Cell with Trench Gate ( 51 ) with a MOS capacitor ( 52 ) it becomes clear that the reaction capacitance essentially represents a capacitor with the layer structure metal oxide semiconductor. Thus, there is a relationship between the differential feedback capacitance, which is determined from the dynamic measurements, and the small-signal capacity of MOS structures or the behavior of these capacitances should have parallels. Subsequently, states on the semiconductor surface of an ideal MOS capacitor become simplified explained, resulting in accordance with the applied gate voltage. A more detailed explanation, including the fundamentals of semiconductor physics, can be found in the numerous available literature on this topic.

Liegt eine Spannung am Gatekontakt an, ist die Gateelektrode mit der Ladung QG belegt. Der Halbleiter reagiert darauf mit einer Gegenladung, die durch die Verbiegung des Energiebändermodells an der Halbleiteroberfläche beschrieben werden kann, denn Teilchen (Löcher und Elektronen) tendieren dazu, Positionen mit minimaler Energie bevorzugt einzunehmen. Ausgehend von einem n-Halbleiter unterscheidet man je nach angelegter Spannung folgende Zustände. Die entsprechenden Energieverläufe im Bändermodell für den n-Halbleiter sind in der 53 (mit a) Anreicherung (accumulation); b) Verarmung (depletion); c) Inversion (inversion) und EC – untere Energiekante des Leitbandes, EF – Ferminiveau, Ei – Eigenleitungsenergie und Ev – obere Energiekante des Valenzbandes) dargestellt.If a voltage is present at the gate contact, the gate electrode is occupied by the charge Q G. The semiconductor reacts to this with a counter charge, which can be described by the bending of the energy band model at the semiconductor surface, because particles (holes and electrons) tend to preferentially occupy positions with minimal energy. Based on an n-type semiconductor, the following states are distinguished depending on the applied voltage. The corresponding energy curves in the band model for the n-type semiconductor are in the 53 (with a) accumulation; b) depletion; c) inversion and E C - lower energy edge of the conduction band, E F - Fermi level, E i - intrinsic energy and E v - upper energy edge of the valence band).

1. Anreicherung (accumulation)1. Enrichment (accumulation)

Wird am Gate eine positive Spannung angelegt, so werden Elektronen im Halbleiter in Richtung Gate angezogen und reichern sich dort an. Die Höhe der Ladung hängt von der Oxidkapazität und der angelegten Spannung ab. Die Oxidkapazität, die durch die Schichtfolge Metall – Oxid – Halbleiter gebildet wird, entspricht einem Plattenkondensator und ist spannungsunabhängig:

Figure 00260001
If a positive voltage is applied to the gate, electrons in the semiconductor are attracted towards the gate and accumulate there. The amount of charge depends on the oxide capacity and the applied voltage. The oxide capacity, which is formed by the sequence of layers of metal-oxide-semiconductor, corresponds to a plate capacitor and is voltage-independent:
Figure 00260001

Im Anreicherungszustand hat der n-dotierte Halbleiter einen Löcherüberschuss auf der Metall-Oxid-Grenzfläche und einen Elektronenüberschuss an der Halbleiteroberfläche. Beide Ladungsschichten sind sehr dünn. Nahezu die gesamte Spannung fällt über der Isolationsschicht ab. Der Spannungsabfall über den geladenen Schichten im Metall und an der Halbleiteroberfläche kann vernachlässigt werden [10]. Die wirkende Kapazität im Anreicherungszustand lässt sich also sehr gut durch zwei dünne Ladungsschichten mit dem dazwischen liegenden Isolator repräsentieren und entspricht somit der Oxidkapazität Cox.In the enrichment state, the n-doped semiconductor has a hole surplus on the metal-oxide interface and an excess of electrons on the semiconductor surface. Both charge layers are very thin. Almost the entire voltage drops over the insulation layer. The voltage drop across the charged layers in the metal and on the semiconductor surface can be neglected [10]. The acting capacity in the enrichment state can thus be represented very well by two thin charge layers with the intervening insulator and thus corresponds to the oxide capacity C ox .

2. Verarmung (depletion)2. depletion

Wird die Gatespannung negativ, so werden die Elektronen von der Grenzschicht weg in den Halbleiter hineingedrängt. Die Gegenladung wird durch die ionisierten Donatoratome gebildet. Dadurch wird an der Isolator-Halbleiter-Grenzschicht eine Verarmungszone erzeugt. Die Ladungsträgerdichte ist jedoch wesentlich geringer als in der Anreicherungszone, da die Dotieratome ortsfest sind. Die an der Gateelektrode beginnenden Feldlinien enden an den ortsfesten Donatorstörstellen des oberflächennahen Siliziums. So entsteht aus der ursprünglich neutralen Halbleiteroberfläche eine oberflächennahe Verarmungszone mit einer spannungsabhängigen Breite dd. Diese Raumladungszone des Halbleiters hat die Kapazität

Figure 00270001
die über die Breite dd von der Spannung Vd über der Raumladungszone bzw. der Verarmungszone abhängt [11]. Es kann also nicht mehr davon ausgegangen werden, dass die gesamte Spannung am Isolator abfällt. Die gesamte MOS-Kapazität setzt sich somit aus der Reihenschaltung der Raumladekapazität und der Oxidkapazität zusammen
Figure 00270002
If the gate voltage is negative, the electrons are forced away from the boundary layer into the semiconductor. The counter charge is formed by the ionized donor atoms. This creates a depletion zone at the insulator-semiconductor interface. However, the charge carrier density is substantially lower than in the enrichment zone, since the doping atoms are stationary. The field lines beginning at the gate electrode terminate at the stationary donor impurities of the near-surface silicon. This results in the surface of the originally neutral semiconductor surface becoming depleted near the surface with a voltage-dependent width d d . This space charge zone of the semiconductor has the capacity
Figure 00270001
which depends on the width d d on the voltage V d over the space charge zone or the depletion zone [11]. It can therefore no longer be assumed that the entire voltage across the insulator drops. The total MOS capacitance is thus composed of the series connection of the space charge capacity and the oxide capacity
Figure 00270002

3. Inversion (inversion)3. Inversion (inversion)

Fällt die Gatespannung weiter, so dehnt sich die Verarmungszone weiter aus und die Raumladekapazität und damit auch die MOS-Kapazität sinken. Bei höheren negativen Gatespannungen können die ionisierten Donatoratome nicht alleine die Gategegenladung aufbringen. Daher werden freibewegliche Löcher, die Minoritätsladungsträger des n-Halbleiters, an die Oberfläche gezogen, um die Gateladung zu kompensieren. Die Anzahl der Minoritätsladungsträger kann so groß werden, dass ihre Anzahl größer wird als die der Majoritätsladungsträger. Dann spricht man von Inversion, da die Oberflächenschicht des Halbleiters invertiert und damit zum p-Typ wird. Im Bändermodell wird dies dadurch verdeutlicht, dass das Ferminiveau in diesem Bereich unterhalb der Bandmitte Ei liegt. In der Inversion, insbesondere bei starker Inversion, liegt jetzt ein ähnlicher Fall wie bei der Anreicherung vor, da die Ladungsträgerdichte wieder relativ hoch ist. Die Kapazität der Verarmungszone im Inversionsbereich steigt durch die Minoritätsladungsträger stark an, sodass im stationären Zustand wieder die Oxidkapazität der gesamten MOS-Kapazität entspricht. (Beim plötzlichen Anlegen großer negativer Spannungen kann diese Inversionsschicht, bedingt durch die relativ langsame Zufuhr der Minoritätsladungsträger (Löcher), nicht sofort erfolgen. Deshalb tritt an der Oberfläche zunächst der Zustand der tiefen Verarmung auf.)If the gate voltage continues to fall, the depletion zone continues to expand and the space charge capacity and thus also the MOS capacitance decrease. At higher negative gate voltages, the ionized donor atoms can not alone apply the gate counter charge. Therefore, floating holes, the minority carriers of the n-type semiconductor, are pulled to the surface to compensate for the gate charge. The number of minority carriers can become so large that their number becomes larger than that of the majority carriers. Then one speaks of inversion, since the surface layer of the semiconductor is inverted and thus becomes p-type. In the band model, this is illustrated by the fact that the Fermi level in this area is below the band center E i . Inversion, especially in strong inversion, now has a similar case to enrichment because the charge carrier density is again relatively high. The capacity of the depletion zone in the inversion region increases sharply by the minority charge carriers, so that in the steady state again corresponds to the oxide capacity of the entire MOS capacity. (When large negative voltages are suddenly applied, this inversion layer can not be instantaneous, due to the relatively slow supply of minority carriers (holes), so the state of deep depletion first appears on the surface.)

Die Charakterisierung eines MOS-Kondensators erfolgt normalerweise durch eine C/V-Messung. Dabei wird der Verlauf der Kleinsignalkapazität bei verschiedenen Anregungsfrequenzen über der anliegenden Gleichspannung an der MOS-Struktur aufgezeichnet. 55 skizziert das entsprechende Kennlinienfeld, das sich bei einer mit einer Wechselspannung überlagerten Spannungsrampe ergibt (54).The characterization of a MOS capacitor is usually done by a C / V measurement. In this case, the profile of the small-signal capacitance at different excitation frequencies over the applied DC voltage is recorded on the MOS structure. 55 outlines the corresponding characteristic field, which results at a voltage ramp superimposed with an alternating voltage ( 54 ).

Hohe positive Vorspannungen ziehen Majoritätsladungsträger zur Grenzschicht hin. Die geladenen Schichten sind dünn und nahe dem Isolator. Es ergibt sich eine Kleinsignalkapazität nahe dem Wert Cox. Es gilt CMOS ≈ Cox (da Cd >> Cox). Die Majoritätsladungsträger sind die einzigen Ladungsträger, die sich hierbei bewegen. Sie können Raum- Ladungsstörungen innerhalb weniger Vielfache der dielektrischen Relaxationszeit τ (Umladezeitkonstante/charakteristische Rückkehrzeit in den Gleichgewichtszustand/Ladungsträgerlebensdauer) abbauen, sind im Anreichungs- und Verarmungsbereich vorwiegend an der Ladungsänderung beteiligt und reagieren schnell auf Anregungsfrequenzen bis zu einigen MHz. Aus diesem Grund liegen die Hoch- und Niederfrequenzkurven in diesem Bereich nahe beieinander. Wird die Gleichspannung negativer, gelangt der Kondensator langsam in den Bereich der Inversion und es bildet sich eine Verarmungszone. Solange die Anzahl der Minoritätsladungsträger an der Grenzschicht zu vernachlässigen ist (d. h. in der Verarmung), hängt die Änderung der gespeicherten Ladung lediglich von der Ausdehnung und dem Zusammenziehen der Verarmungszone als Folge der anliegenden Kleinsignalwechselspannung ab. Der MOS-Kondensator besteht in diesem Bereich aus der Oxidkapazität Cox in Serie mit der Kapazität der Verarmungszone Cd (vgl. Gleichung 3.30). Cox ist konstant, aber Cd ändert sich mit dem an der Verarmungszone anliegenden Potential (Cd ≤ Cox). Mit fallender Gatespannung werden Cd und damit auch CMOS kleiner, da sich die Verarmungszone ausweitet, bis sich eine Inversionsschicht ausbildet. Bei starker Inversion bleibt die Weite der Verarmungszone und die über ihr abfallende Spannung Vd für unterschiedliche Gatevorspannungen nahezu konstant. Für hochfrequente bzw. niederfrequente Anregungen erhält man in diesem Bereich verschiedene Kapazitätsverläufe, da hauptsächlich die Minoritätsladungsträger den Ladungshaushalt bestimmen. Um die Gleichgewichtseinstellung zu erreichen, brauchen sie viel mehr Zeit als die Majoritätsladungsträger, da für die Minoritätsladungsänderung viele Prozesse, wie Volumengeneration und Transport durch Verarmungs- und Anreicherungsgebiete, verantwortlich sein können. Nur wenn die Einstellzeit (Änderung der Spannung und Frequenz) zur jeweiligen Erreichung der Gleichgewichtswerte ausreicht, nimmt die Inversionskapazität berechenbare Werte an. [12] Erfolgt die Spannungsänderung jedoch im Vergleich zur Einstellzeit zu schnell, so erreichen die Minoritäten nicht ihre Gleichgewichtswerte. Sie sind nur zum Teil oder gar nicht an der Umladung beteiligt. Die Inversionskapazität wird also frequenzabhängig:

  • Niederfrequenz (< 100 Hz): Die Löcher in der Inversionsschicht können dem Verlauf der Wechselspannung folgen. Die Kleinsignalkapazität steigt wie im Anreicherungszustand auf den Wert von Cox an.
  • Hochfrequenz (>> 100 Hz): Die Anzahl der Löcher in der Inversionsschicht kann sich nicht schnell genug ändern, die gemessene MOS-Kapazität bleibt auf ihrem Minimalwert. Die MOS-Kapazitätskurve und damit der elektronische Zustand der Halbleiteroberfläche hängen beim realen Kondensator stark von weiteren Einflüssen ab: – Ladungen, die sich in der Umgebung der Isolator-Halbleitergrenzfläche befinden und – der Metall-Halbleiter-Austrittsarbeit.
High positive biases attract majority carriers to the boundary layer. The charged layers are thin and close to the insulator. This results in a small signal capacity close to the value C ox . We have C MOS ≈ C ox (since C d >> C ox ). The majority charge carriers are the only charge carriers that move here. They can reduce space charge disturbances within a few multiples of the dielectric relaxation time τ (charge time constant / characteristic return time to equilibrium / charge carrier lifetime), are predominantly involved in the charge change in the enrichment and depletion region, and respond rapidly to excitation frequencies of up to several MHz. For this reason, the high and low frequency curves in this area are close to each other. As the DC voltage becomes more negative, the capacitor slowly enters inversion and a depletion zone is formed. As long as the number of minority carriers at the interface is negligible (ie depletion), the change in the stored charge depends only on the expansion and contraction of the depletion zone as a result of the applied small signal AC voltage. The MOS capacitor in this range consists of the oxide capacity C ox in series with the capacity of the depletion zone C d (see Equation 3.30). C ox is constant, but C d changes with the potential applied to the depletion zone (C d ≤ C ox ). With decreasing gate voltage, C d and thus also C MOS become smaller since the depletion zone expands until an inversion layer forms. With strong inversion, the width of the depletion zone and the voltage V d dropping across it remain almost constant for different gate bias voltages. For high-frequency or low-frequency excitations, different capacity curves are obtained in this area, since mainly the minority charge carriers determine the charge budget. In order to achieve equilibration, they take much more time than the majority carriers because many processes, such as volume generation and depletion and enhancement regions, may be responsible for the minority charge change. Only if the set time (change of voltage and frequency) is sufficient for the respective attainment of the equilibrium values does the inversion capacity assume calculable values. [12] However, if the voltage change is too fast compared to the set time, the minorities do not reach their equilibrium values. They are only partly or not involved in the transhipment. The inversion capacity thus becomes frequency-dependent:
  • Low frequency (<100 Hz): The holes in the inversion layer can follow the course of the AC voltage. The small-signal capacity increases to the value of Cox as in the enrichment state.
  • High frequency (>> 100 Hz): The number of holes in the inversion layer can not change fast enough, the measured MOS capacitance remains at its minimum value. The MOS capacitance curve and thus the electronic state of the semiconductor surface are strongly dependent on further influences in the real capacitor From: - charges that are in the vicinity of the insulator-semiconductor interface and - the metal-semiconductor work function.

Diese Einflüsse führen zu einer Verschiebung der C-V-Kennlinie gegenüber dem idealen Wert bei VG = 0 und damit zur Existenz einer Bandverbiegung im spannungslosen Zustand. [11] Sie können aber auch elektrische Instabilitäten der MOS-Struktur hervorrufen, die sich im Wesentlichen in Form von Hysteresen des C-V-Verlaufs äußern. Die Verhältnisse des MOS-Kondensators lassen sich natürlich nicht direkt auf die Rückwirkungskapazität des vorliegenden Trench Gate MOSFETs übertragen. Zum einen hat jeder MOSFET mehrere Halbleiterschichten unterschiedlicher Dotierung, die an die Oxidschicht grenzen und somit einen Beitrag zur Gategegenladung leisten, und zum anderen liegen nicht ausreichend Informationen über das verwendete Bauelement, beispielsweise über den geometrischen Chipaufbau, vor. Es ist anzunehmen, dass neben der reinen MOS-Kapazität noch andere Kapazitäten die Rückwirkungskapazität beeinflussen. Auf eine genauere Analyse wird jedoch an dieser Stelle verzichtet, da das Ziel dieser Arbeit nicht die Betrachtung der Halbleiterphysik ist. Auch ohne genauere Untersuchungen lassen sich die beschriebenen Zustände der MOS-Kapazität auf das beobachtete Ausschaltverhalten der Kapazität zwischen dem Drain- und dem Gatekontakt während des Schaltens übertragen.These influences lead to a shift of the CV characteristic with respect to the ideal value at V G = 0 and thus to the existence of a band bending in the de-energized state. [11] However, they can also cause electrical instabilities in the MOS structure, which are essentially in the form of hystereses of the CV history. Of course, the ratios of the MOS capacitor can not be directly transferred to the feedback capacitance of the present trench gate MOSFET. On the one hand, each MOSFET has a plurality of semiconductor layers of different doping, which adjoin the oxide layer and thus contribute to the gate counter charge, and, on the other hand, there is insufficient information about the component used, for example about the geometric chip structure. It can be assumed that, in addition to the pure MOS capacitance, other capacities also influence the retroaction capacity. However, a more detailed analysis is omitted here, since the aim of this work is not the consideration of semiconductor physics. Even without further investigation, the described states of the MOS capacitance can be transferred to the observed turn-off behavior of the capacitance between the drain and the gate contact during the switching.

In Abschnitt 3.2. – Nichtlineare Kapazität – Großsignal- und Kleinsignalkapazität – wurde gezeigt, dass sich die Kleinsignalkapazitäten und die differentiellen Kapazitäten im Arbeitspunkt bei sonst gleichen Bedingungen entsprechen. Diese Bedingungsgleichheit ist aufgrund der verschiedenen Messverfahren nicht gegeben. Trotzdem ist unter Beachtung der Eigenschaften des realen MOS-Kondensators ein ähnliches Verhalten feststellbar, wenn man die C/V-Kurven in 54 mit den Kennlinien, die in Abschnitt 3.5.2.2. – Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – dargestellt sind, vergleicht. Dabei muss beachtet werden, dass die ermittelten Kennlinien über der Drain-Gate-Spannung abgebildet sind. Diese Spannung entspricht der negativen Gatespannung der MOS-Struktur.In section 3.2. - Nonlinear capacitance - Large signal and small signal capacitance - It has been shown that the small signal capacitances and the differential capacitances at the operating point are equal under otherwise identical conditions. This conditionality is not given due to the different measurement methods. Nevertheless, taking into account the properties of the real MOS capacitor, a similar behavior can be observed when the C / V curves in 54 with the characteristics given in Section 3.5.2.2. - Differential reaction capacity Crss diff (R G ) - are shown, compares. It should be noted that the determined characteristics are shown above the drain-gate voltage. This voltage corresponds to the negative gate voltage of the MOS structure.

In den Kennlinien der differentiellen Rückwirkungskapazität ist deutlich der Verarmungsbereich zu erkennen. Da in diesem Bereich hauptsächlich die Majoritätsladungsträger elektrische Ungleichgewichte ausgleichen, ist entsprechend der zuvor erläuterten Theorie keine Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit zu erwarten und auch nicht festzustellen (vgl. 47). Die Kennlinien sind nahezu identisch. Die ermittelten Kennlinien sind aus transienten Vorgängen bestimmt worden und damit zeitabhängig und nicht frequenzabhängig. Das frequenzabhängige Verhalten der Kapazität kann jedoch auch die gemessenen Zeitverläufe plausibel machen. So deutet der Übergang in den flachen Bereich bei ungefähr VDG = 5 V die Inversion an der Halbleiteroberfläche an. Zunächst sind für alle untersuchten Schaltvorgänge die Transienten während der Spannungskommutierung so groß, dass die Minoritätsladungsträger nicht schnell genug reagieren können und die Kennlinien demzufolge zunächst auf dem minimalen Wert bleiben. Die Größe des benutzten Gatewiderstandes beeinflusst über die Gatestromstärke, wie schnell das Ausgangskennlinienfeld während der Stromkommutierung durchlaufen wird bzw. welche Spannungen über den Kommutierungsinduktivitäten abfallen und so schließlich auch wie hoch der Spannungsanstieg über dem ausgeschalteten Schalter nach dem Erreichen der Zwischenkreisspannung ist. 56 (Ausschaltverlauf mit modellierter Crssdiff-Kennlinie: VDClink = 30V, IL = 150A, RG = 10 Ω und TJ = 25°C) und 57 (Ausschaltverlauf mit modellierter Crssdiff-Kennlinie: VDClink = 30 V, IL = 150 A, RG = 330 Ω und TJ = 25°C) verdeutlichen, dass der minimale Kapazitätswert solange beibehalten wird, wie die Drain-Gate-Spannung über einen ausreichend großen Anstieg verfügt. Wird dieser geringer, können auch die Minoritätsladungsträger den Spannungsänderungen folgen und die Kapazität steigt entsprechend der Theorie an. Dieses Verhalten ist bei allen untersuchten Schaltverläufen zu beobachten. Die entsprechenden Kennlinienfits spiegeln dieses Verhalten auch sehr gut wider. Verallgemeinert kann festgestellt werden, dass die Fitfunktionen der C-Kennlinien bis zum Erreichen der Überspannung das wirkliche Verhalten bei langsamen und schnellen Schaltvorgängen gut nachbilden. Bei den Ausschaltvorgängen beginnen, zeitlich gesehen, nach Erreichen der Spannungsspitze die Ungenauigkeiten in der differentiellen Kennlinie der Rückwirkungskapazität Crssdiff.The characteristic curves of the differential reaction capacity clearly show the depletion region. Since in this area mainly the majority charge carriers compensate for electrical imbalances, according to the previously explained theory no dependence on the switching speed is to be expected and also not established (cf. 47 ). The characteristics are almost identical. The determined characteristic curves have been determined from transient processes and thus time-dependent and not frequency-dependent. However, the frequency-dependent behavior of the capacitance can also make the measured time courses plausible. Thus, the transition to the shallow region at approximately V DG = 5V indicates inversion at the semiconductor surface. First of all, the transients during the voltage commutation are so large for all switching operations that the minority charge carriers can not react fast enough and the characteristic curves therefore initially remain at the minimum value. The size of the gate resistance used influences, via the gate current intensity, how fast the output characteristic field is traversed during the current commutation or which voltages drop across the commutation inductances and thus finally how high the voltage rise across the switched-off switch is after reaching the intermediate circuit voltage. 56 (Switch-off characteristic with modeled Crss diff characteristic: V DClink = 30V, I L = 150A, R G = 10Ω and T J = 25 ° C) and 57 (Switch-off characteristic with modeled Crss diff characteristic: V DClink = 30 V, I L = 150 A, R G = 330Ω and T J = 25 ° C) illustrate that the minimum capacitance value is maintained as long as the drain gate Voltage has a sufficiently large increase. If this is lower, the minority carriers can also follow the voltage changes and the capacitance increases according to the theory. This behavior can be observed in all investigated switching curves. The corresponding characteristic fits also reflect this behavior very well. In general terms, it can be stated that the fit functions of the C characteristic curves until the overvoltage is reached well simulate the real behavior during slow and fast switching operations. During the switch-off processes, the inaccuracies in the differential characteristic of the feedback capacitance Crss diff begin, as far as time is concerned, after reaching the voltage peak.

In weiterführenden Untersuchungen sollte festgestellt werden, ob eine Funktion bestimmt werden kann, die in Abhängigkeit vom Spannungsanstieg den Anstieg der differentiellen Rückwirkungskapazität im Inversionsbereich beschreibt und in den vorliegenden Simulator integriert werden kann. Frequenzabhängige Kennlinien sind für die genaue Simulation von Schaltvorgängen nicht geeignet, da in den zeitabhängigen Kennlinien eine Vielzahl von Frequenzen enthalten ist. Durch Laplacetransformation aus der zeitabhängigen Kennlinie ist ein breites Spektrum von frequenzabhängigen Kennlinien bestimmbar. Deshalb sollte in weiterführenden Arbeiten auch überprüft werden, ob die aus der Zeitmessung ermittelten und durch Laplacetransformation in frequenzabhängige Kennlinien umgewandelten Funktionen in guter Näherung den frequenzabhängigen Kleinsignalkennlinien entsprechen. Sollte dies der Fall sein, könnte eine Untersuchung durchgeführt werden, die in Abhängigkeit von der Pulsperiode und dem Tastverhältnis einen allgemeinen analytischen Zusammenhang liefert, der die Umwandlung vom Frequenzbereich in den Zeitbereich ermöglicht. Der entstehende Untersuchungsaufwand kann damit gerechtfertigt werden, dass die Kleinsignalkapazitätsbestimmung mit den entsprechenden Messgeräten wesentlich schneller ist, als die aufwendige Auswertung der Messdaten zur Ermittlung der Kapazitätskennlinien.In further investigations it was to be determined whether a function can be determined which, depending on the voltage increase, increases the increase of the differential reaction capacity in the In version range and can be integrated into the present simulator. Frequency-dependent characteristics are not suitable for the exact simulation of switching operations, since the time-dependent characteristic curves contain a multiplicity of frequencies. By Laplace transformation from the time-dependent characteristic, a broad spectrum of frequency-dependent characteristics can be determined. For this reason, it should also be checked in further work whether the functions derived from the time measurement and converted into frequency-dependent characteristic curves by laplace transformation correspond to a good approximation to the frequency-dependent small-signal characteristics. If so, an investigation could be made which provides a general analytic context, depending on the pulse period and duty cycle, that allows conversion from the frequency domain to the time domain. The resulting investigation effort can be justified by the fact that the small signal capacity determination with the corresponding measuring devices is much faster than the complex evaluation of the measured data to determine the capacitance characteristics.

3.5.4. Vergleich der Rückwirkungskapazität beim Ein- und Ausschalten3.5.4. Comparison of the reaction capacity when switching on and off

Beim Ein- und Ausschalten eines Schalters wird das Ausgangskennlinienfeld aufgrund der in Kapitel 2 beschriebenen Effekte verschiedenartig durchlaufen. (Die entsprechende schematische Darstellung zeigt 6 die in Abschnitt 2.3.2. – dVDS/dt – Rückkopplung durch die Drain-Gate-Kapazität beschrieben ist.) Inwiefern dieser „Weg" durch das Ausgangskennlinienfeld einen Einfluss auf die Rückwirkungskapazitätskennlinie hat, soll in diesem Abschnitt untersucht werden. In Abschnitt 3.5.2 – Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Schaltgeschwindigkeit – konnte festgestellt werden, dass es von Vorteil ist die Kennlinie aus den Messdaten zu gewinnen, die aus dynamischen Messungen mit hohen Gatevorwiderständen bestimmt wurden, da dann die die Auswertung erschwerenden Schwingungen weitestgehend gedämpft sind. Deshalb wird für diesen und die folgenden Abschnitte die Auswertung der Messdaten für Schaltvorgänge mit einem Gatevorwiderstand von 180 Ω vorgenommen.When a switch is turned on and off, the output characteristics field will vary due to the effects described in Chapter 2. (The corresponding schematic representation shows 6 in section 2.3.2. - dV DS / dt - feedback through the drain-gate capacitance is described.) To what extent this "path" through the output characteristic field has an influence on the feedback capacitance characteristic will be examined in this section, in Section 3.5.2 - Dependency of the Reaction Capacitance of switching speed - it has been found that it is advantageous to obtain the characteristic curve from the measured data obtained from dynamic measurements with high gate resistances, since the vibrations which make the evaluation more difficult are therefore largely dampened Evaluation of the measured data for switching operations with a gate resistor of 180 Ω.

58 vergleicht die Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien eines Einschaltvorganges mit der eines entsprechenden Ausschaltvorganges. Das Ergebnis ist insofern überraschend, als sich die beiden spannungskorrigierten Kapazitätskennlinien im stationär eingeschalteten Zustand nicht in denselben Punkten treffen. Allein für den ausgeschalteten Zustand scheint das noch annähernd der Fall zu sein. Betrachtet man die dazugehörigen Ladungskurven Qron und Qroff in 58, so fällt auf, dass auch sie auseinander laufen. 58 compares the large signal feedback capacitance characteristics of a switch-on with that of a corresponding switch-off. The result is surprising insofar as the two voltage-corrected capacitance characteristics do not meet at the same points in the stationary state. Alone for the off state, this seems almost the case. Consider the corresponding charge curves Qr on and Qr off in 58 , it is noticeable that they too diverge.

Zur Untersuchung dieses Phänomens wurden weitere Messverläufe aufgenommen, die in 59 (zeitlicher Verlauf der Messgrößen ID, VDS, VGS und der Rechengröße VDG während des Aus- und Einschaltens des Schalters mit RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A) und 60 (zeitlicher Verlauf der Messgrößen ID, VDS, VGS und der Rechengröße VDG während des Aus-, Ein- und Ausschaltens des Schalters mit RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A) dargestellt sind, und die dazugehörigen Ladungskurven ermittelt. Letztere werden in 61 und 62 präsentiert. Dabei wurde der Offset QGtot(tv) in Gleichung (3.28) so gewählt, dass im ersten Drain-Gate-Spannungsnulldurchgang die Ladung Qr gleich Null ist. Es muss an dieser Stelle der Arbeit noch einmal auf das Prinzip der Messung hingewiesen werden: Der Stromarbeitspunkt wird neben der geeigneten Auswahl der Lastinduktivität durch die Dauer des ersten Ansteuerimpulses bestimmt. Deshalb beginnen die dargestellten bzw. untersuchten Messreihen mit einem Ausschaltvorgang.In order to investigate this phenomenon, further measurement curves were recorded, which were published in 59 (Time course of the variables I D , V DS , V GS and the arithmetic variable V DG during switching on and off of the switch with R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A) and 60 (Time course of the variables I D , V DS , V GS and the arithmetic variable V DG during switching off, on and off of the switch with R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A), and determines the associated charge curves. The latter will be in 61 and 62 presents. The offset Q Gtot (t v ) in equation (3.28) was chosen so that in the first drain-gate voltage zero crossing the charge Qr is equal to zero. At this point in the work, the principle of measurement has to be pointed out again: The current working point is determined by the duration of the first drive pulse in addition to the suitable selection of the load inductance. Therefore, the illustrated or examined measurement series start with a switch-off process.

Eine mögliche Deutung von 61 (Verlauf der Ladung Qr(VDGchip) während des Aus- und Einschaltens des Schalters mit RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A) und 62 (Verlauf der Ladung Qr(VDGchip) während des Aus-, Ein- und Ausschaltens des Schalters RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A) ist, dass zum Ausschalten eine größere Ladungsmenge notwendig ist als zum Einschalten. Bevor diese These jedoch genauer untersucht wird, muss ausgeschlossen werden, dass dieser Effekt durch Messfehler bei der Gatestrommessung entstanden ist. Die Bestimmung des Gatestromes gestaltet sich problematisch, da sowohl die Pearsonsonde als auch das Oszilloskop zu einem Offset des Gatestromes in der Messung führt. Hinzu kommt das Messrauschen. Es ist also praktisch kaum möglich, eine 0A- bzw. 0V-Linie zu messen.A possible interpretation of 61 (Course of the charge Qr (V DGchip ) during switching on and off of the switch with R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A) and 62 (Course of the charge Qr (V DGchip ) during switching off, on and off of the switch R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A) is that to turn off a larger amount of charge is necessary than to turn on. However, before this thesis is examined more closely, it must be ruled out that this effect was caused by measurement errors in the Gatestrommessung. The determination of the gate current is problematic because both the Pearson probe and the oscilloscope leads to an offset of the gate current in the measurement. Added to this is the measurement noise. It is practically impossible to measure a 0A or 0V line.

Deshalb wurden dieselben Schaltverläufe noch einmal untersucht und die Messdaten so modifiziert, dass der Gatestrom in bestimmten Bereichen auf Null gesetzt wurde. Die Ergebnisse und die zugehörigen Messdaten mit Gatestrom sind in den Abbildungen 63: Zeitlicher Verlauf der Messgrößen ID, VDS, VGS; IG und der Rechengröße VDG während des Aus- und Einschaltens des Schalters (RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A); 64: Modifizierter Verlauf der Ladung Qr(VDGchip) während des Aus- und Einschaltens des Schalters (RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A); 65: Zeitlicher Verlauf der Messgrößen ID, VDS, VGS; IG und der Rechengröße VDG während des Aus- Ein- und Ausschaltens des Schalters (RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A) und 66: Modifizierter Verlauf der Ladung Qr(VDGchip) während des Aus-, Ein- und Ausschaltens des Schalters (RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A) dargestellt. Es ist eine Annäherung der Ein- und Ausschaltkennlinien festzustellen, ein Unterschied in der Ladungsmenge für das Ein- und Ausschalten besteht jedoch weiterhin. Es bleibt zu untersuchen, ob eine Verschiebung des Gatestromes entlang der Ordinate das Ergebnis noch beeinflussen kann. Geht man vereinfachend von gleichen Widerständen im Gatekreis im ein- und ausgeschalteten Zustand aus, müssten die Stromspitzen dieselben Beträge aufweisen. Die Gatestromspitze beim Ausschalten ist jedoch geringfügig höher als die beim Einschalten. Außerdem ist der Gatestrom in den stationären Zuständen leicht negativ. Die Ursache für den festgestellten erhöhten Ladungsbedarf beim Ausschalten könnte also durchaus in der Messtechnik begründet liegen, die eine Verschiebung der Messgrößen bei der Datenaufnahme verursacht. Deshalb dokumentieren die Abbildungen 67, 68, 69 und 70 die Ergebnisse, die bei einer Offsetkorrektur des Gatestromes entstehen. Dabei wurde darauf verzichtet, den Gatestrom in den entsprechenden Bereichen auf Null zu setzen.Therefore, the same switching characteristics were re-examined and the measurement data modified so that the gate current was set to zero in certain areas. The results and the associated measured data with gate current are shown in the figures 63 : Time course of the measured variables I D , V DS , V GS ; I G and the arithmetic variable V DG during turning off and on of the switch (R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A); 64 : Modified charge Qr (V DGchip ) during switching off and on of the switch (R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A); 65 : Time course of the measured variables I D , V DS , V GS ; I G and the arithmetic variable V DG while switching the switch off and on again (R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A) and 66 : Modified charge Qr (V DGchip ) during switch off, on and off (R G = 180 ohms, V DClink = 30V , T j = 25 ° C and I L = 150 A). There is an approximation of the on and off characteristics, but there is still a difference in the amount of charge for switching on and off. It remains to be investigated whether a shift of the gate current along the ordinate can influence the result. If, for simplification, one assumes identical resistances in the gate circuit in the switched on and off state, the current peaks would have to have the same amounts. However, the gate current peak when turning off is slightly higher than that at power up. In addition, the gate current in the stationary states is slightly negative. The cause of the identified increased charge demand when switching off could therefore well be due to the measurement technique, which causes a shift in the measured quantities in the data acquisition. That is why the pictures document 67 . 68 . 69 and 70 the results of an offset correction of the gate current. It was decided not to set the gate current in the corresponding areas to zero.

Die Ergebnisse, die sich nach der Offsetkorrektur des Gatestromes IG ergeben, lassen vermuten, dass die Beobachtung, zum Einschalten sei weniger Gateladung notwendig als zum Ausschalten, höchstwahrscheinlich auf Messfehler zurückzuführen ist. Es muss an dieser Stelle noch dokumentiert werden, dass die Offsetkorrektur der beiden Schaltverläufe verschieden ist. So wurde für den in 67 (Zeitlicher Verlauf der Messgrößen ID, VDS, VGS; IG_offset und. der Rechengröße VDG während des Aus- und Einschaltens des Schalters (RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A)) dargestellten Schaltverlauf eine Offsetkorrektur des Gatestromes von 0,25 mA und für den in 69 (Zeitlicher Verlauf der Messgrößen ID, VDS, VGS; IG_offset und der Rechengröße VDG während des Aus-, Ein- und Ausschaltens des Schalters (RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A)) dargestellten Schaltverlauf eine Offsetkorrektur von 0,4 mA vorgenommen. Weitere Unter suchungen diesbezüglich wären aufgrund der damit möglichen Abschätzbarkeit des systematischen Fehlers interessant. Um den Rahmen der vorliegenden Arbeit nicht zu sprengen, wird hier darauf verzichtet.The results obtained after the offset correction of the gate current I G suggest that the observation to turn on less gate charge than turn it off is most likely due to measurement errors. It must be documented at this point that the offset correction of the two switching characteristics is different. So was for the in 67 (Time course of the measured variables I D , V DS , V GS , I G_offset and the arithmetic variable V DG during switching the switch on and off (R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A)), an offset correction of the gate current of 0.25 mA and for the in 69 (Time course of the measured variables I D , V DS , V GS , I G_offset and the arithmetic variable V DG during switching off, on and off of the switch (R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A)), an offset correction of 0.4 mA is made. Further investigations in this regard would be interesting because of the possible predictability of the systematic error. In order not to go beyond the scope of the present work, this is omitted here.

In den Diagrammen 68 (Modifizierter Verlauf der Ladung Qr(VDGchip) während des Aus- und Einschaltens des Schalters nach Offsetkorrektur von IG (RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A)) und 70 (Modifizierter Verlauf der Ladung Qr(VDGchip) während des Aus-, Ein- und Ausschaltens des Schalters nach Offsetkorrektur von IG (RG = 180 Ohm, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und IL = 150 A)) sind zwei Bereiche erkennbar, in denen sich die Ladungskurven vom Ein- und Ausschalten von einander unterscheiden. Die Unterschiede bei höheren Drain-Gate-Spannungen sind im unterschiedlichen Durchlaufen des Ausgangskennlinienfeldes begründet. Inwiefern das Ein- und Ausschaltverhalten der internen Inversdioden einen Einfluss auf die Abweichungen hat, sollte in weiterführenden Untersuchungen abgeschätzt werden. Die folgende Abbildung 71 stellt einen Ausschnitt aus 68 dar. Der Kurvenverlauf kann durchaus als Ladungshysterese bezeichnet werden und lässt vermuten, dass die unter Anwendung der Gleichungen (3.27) und (3.28) ermittelte Ladungskurve Qr die Realität nicht exakt widerspiegelt. Es ist anzunehmen, dass die Ladungsmenge in der Rückwirkungskapazität weder während des Ein- noch während des Ausschaltens bei VDG = 0 V gleich Null Coulomb ist. Diese Hysterese ist in der einschlägigen Fachliteratur bekannt und wird als Charge Trapping Effekt bezeichnet. Verursacht wird sie dadurch, dass beim Einschalten des Transistors einige der Ladungsträger im Kanal – aufgrund des elektrischen Feldes, das mit Anlegen einer Gatespannung entsteht – in das Gatedielektrikum gezogen werden. Diese Ansammlung von Ladungsträgern im Gatedielektrikum resultiert in einer Verschiebung der Schwellenspannung und einer Verringerung des Drainstromes [14]. Bemerkenswert bzw. neu an 68, 70 und 71 ist, dass dieser Effekt scheinbar auch durch die Auswertung dynamischer Messungen untersucht werden kann. Verschiedene Messverfahren wie beispielsweise DC VGS-ID- oder hochfrequente C-V-Messungen werden verwendet, um das Phänomen zu erfassen. Dabei wird die Gatespannung herauf- und heruntergefahren, während der Drainstrom oder die Gatekapazität gemessen werden. Dass Charge Trapping und Detrapping von der Messzeit abhängig sind, hat den Anstoß zu einer Vielzahl wissenschaftlicher Arbeiten gegeben, die sich mit der Quantifizierung der „gefangenen Ladung", der Entwicklung entsprechender Messmethoden und ihren Vor- und Nachteilen beschäftigten. Inwiefern die Feststellung, dass das Charge Trapping auch anhand von dynamischen Messdaten untersucht werden kann, in dieser Diskussion eine Rolle spielen könnte, kann in dieser Arbeit nicht abgeschätzt werden. Die Bedeutung des Charge Trappings – insbesondere hinsichtlich der high κ Gatedielektrika – ist physikalisch gesehen jedoch nicht zu vernachlässigen: Es beeinflusst die Stabilität der Schwellen spannung [18] [19] [20] [21], die Ladungsträgermobilität im Kanal [15] [16] [17] und die Lebensdauer des Transistors [22] [23] [24] [25]. Dass das Phänomen des Charge Trappings auch einen Einfluss auf die Schalterkapazitäten und Verluste hat, ist nachvollziehbar. Auf eine Abschätzung der Beeinflussung der Verluste wird in dieser Arbeit verzichtet. Die. Kapazitätskennlinien werden jedoch noch einmal aus den Messdaten mit dem korrigierten Gatestromverlauf ermittelt. Es muss darauf hingewiesen werden, dass diese Korrektur nur im Rahmen der Auswertung der Abhängigkeit der Kennlinie vom Ein- und Ausschalten vorgenommen wurde. In den nachfolgenden Abschnitten, die sich mit der Abhängigkeit von der Temperatur, dem Laststrom und der Zwischenkreisspannung befassen, ist keine Offsetkorrektur des Gatestromes vorgenommen worden, so dass sich die dargestellten Großsignalkapazitäten beim Ein- und Ausschalten mitunter in den stationären Zuständen unterscheiden. Auf die Wirkung der Betriebsbedingungen auf die Kennlinie und die abgeleiteten Aussagen hat dies jedoch einen vernachlässigbaren Einfluss.In the diagrams 68 (Modified charge current Qr (V DGchip ) during switch off and on after offset correction of I G (R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150 A)) and 70 (Modified variation of the charge Qr (V DGchip ) during switching off, on and off of the switch after offset correction of I G (R G = 180 ohms, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and I L = 150) A)), two areas are visible in which the charge curves differ from switching on and off. The differences in the higher drain-gate voltages are due to the different characteristics of the output characteristic field. To what extent the switching on and off behavior of the internal inverse diodes has an influence on the deviations should be estimated in further investigations. The following picture 71 represents a section 68 The curve can certainly as a charge hysteresis and suggests that the charge curve Qr determined using equations (3.27) and (3.28) does not accurately reflect reality. It is to be assumed that the charge amount in the feedback capacitance is zero zero Coulomb neither during turn-on nor turn-off at V DG = 0V. This hysteresis is known in the relevant literature and is referred to as a charge trapping effect. It is caused by the fact that when the transistor is turned on, some of the charge carriers in the channel are drawn into the gate dielectric due to the electric field which arises when a gate voltage is applied. This accumulation of charge carriers in the gate dielectric results in a shift of the threshold voltage and a reduction of the drain current [14]. Remarkable or new 68 . 70 and 71 is that this effect can apparently be examined by evaluating dynamic measurements. Various measurement methods such as DC V GS -I D or high-frequency CV measurements are used to detect the phenomenon. The gate voltage is ramped up and down while the drain current or gate capacitance is being measured. The fact that charge trapping and detrapping depend on the measuring time has given rise to a large number of scientific papers dealing with the quantification of the "trapped charge", the development of appropriate measuring methods and their advantages and disadvantages Charge trapping can also be investigated by means of dynamic measurement data, which could play a role in this discussion, can not be estimated in this work.The importance of charge trapping - especially with regard to high κ gate dielectrics - is not negligible physically: it influences the stability of the threshold voltage [18], [19], [20], [21], the charge-carrier mobility in the channel [15], [16], [17] and the lifetime of the transistor [22], [23], [24], [25] The phenomenon of charge trapping also has an impact on switch capacity and losses, is understandable Influence of the losses is omitted in this work. The. However, capacitance characteristics are again determined from the measured data with the corrected gate current profile. It must be noted that this correction is only in the context of the evaluation of the dependence of Characteristic was made by switching on and off , In the following sections, which deal with the dependence on the temperature, the load current and the intermediate circuit voltage, no offset correction of the gate current has been made, so that the large signal capacities shown when switching on and off sometimes differ in the stationary states. However, this has a negligible influence on the effect of the operating conditions on the characteristic and the derived statements.

Anhand der verbesserten Auswertung in 72 (Vergleich der Ein- und Ausschaltkennlinien CrssLS(VDGchip) nach Offsetkorrektur von IG während des Aus- und Einschaltens (IL = 150 A, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und RG = 180 Ohm)) und 73 (Vergleich der Ein- und Ausschaltkennlinien CrssLS(VDGchip) nach Offsetkorrektur von IG während des Aus-, Ein- und Ausschaltens (IL = 150 A, VDClink = 30 V, Tj = 25°C und RG = 180 Ohm)) lassen sich folgende Aussagen zusammenfassen:

  • • Die Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien unterscheiden sich beim Ein- und Ausschalten voneinander.
  • • In den stationären Endpunkten entsprechen die Großsignalkapazitäten beim Ein- und Ausschalten einander.
  • • Die Ausschaltkennlinie liegt während des Schaltvorganges bei negativen Drain-Gate-Spannungen über und bei hohen positiven Drain-Gate-Spannungen unter der Einschaltkennlinie.
  • • Je nachdem, wofür die Kapazitätskennlinie verwendet werden soll, muss abgeschätzt werden, ob eventuell ein Mittelwert zwischen den Ein- und Ausschaltkennlinien gebildet werden kann oder sowohl die Ein- als auch die Ausschaltkennlinie benötigt wird. Denkbar ist auch, dass beispielsweise die Verwendung der Ausschaltkennlinie eine ausreichende Genauigkeit bei der simulativen Abschätzung der Schaltverluste liefert. Durch simulative Untersuchungen können Antworten auf diese Fragen gefunden werden. Sie werden ansatzweise in Abschnitt 4.3. – Untersuchungen der Kapazitätskennlinien in einem Arbeitspunkt – durchgeführt.
Based on the improved evaluation in 72 (Comparison of the on and off characteristics Crss LS (V DGchip ) after offset correction of I G during switching off and on (I L = 150 A, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and R G = 180 ohms) ) and 73 (Comparison of the on and off characteristics Crss LS (V DGchip ) after offset correction of I G during off, on and off switching (I L = 150 A, V DClink = 30 V, T j = 25 ° C and R G = 180 ohms)), the following statements can be summarized:
  • • The large signal feedback capacity characteristics are different when turned on and off.
  • • In the stationary endpoints, the large signal capacities on switching on and off correspond to each other.
  • • The switch-off characteristic is at negative drain-gate voltages during the switching process and below the switch-on characteristic at high positive drain-gate voltages.
  • • Depending on what the capacitance characteristic is to be used for, it must be estimated whether an average value may be formed between the switch-on and switch-off characteristics or whether both the switch-on and switch-off characteristics are required. It is also conceivable that, for example, the use of the switch-off characteristic provides sufficient accuracy in the simulative estimation of the switching losses. Through simulative investigations, answers to these questions can be found. They are gradually used in section 4.3. - Examinations of the capacity curves at one operating point - carried out.

Die Verläufe der Ladungskurve Qr und der Kapazitätskennlinien CrssLS, die sich nach der Offsetkorrektur des Gatestromes ergeben, verdeutlichen, dass sich die differentiellen Kapazitäten während des Ein- und Ausschaltens voneinander unterscheiden. Die differentielle Kapazität ist aufgrund der vereinfachten zugehörigen Stromgleichung für die Simulation besser geeignet. Trotzdem wird an dieser Stelle zunächst auf die Bestimmung dieser Kennlinie für das Ein- und Ausschalten verzichtet. Die Ermittlung wird jedoch gegebenenfalls in Abschnitt 4.3. – Untersuchungen der Kapazitätskennlinien in einem Arbeitspunkt – für den gewählten Arbeitspunkt nachgeholt.The curves of the charge curve Qr and the capacitance characteristics Crss LS , which result after the offset correction of the gate current, illustrate that the differential capacitances differ during switching on and off. The differential capacitance is more suitable for the simulation due to the simplified associated current equation. Nevertheless, at this point, the determination of this characteristic for switching on and off is initially dispensed with. However, the determination will be made in Section 4.3. - Examinations of the capacity curves at one operating point - made up for the selected operating point.

3.5.5. Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Temperatur3.5.5. Dependence of the reaction capacity from the temperature

Kennwerte von Halbleitern sind bekanntlich temperaturabhängig. Da über die Kapazität Crss die Schaltverluste stark beeinflusst werden, vergleicht 74 Rückwirkungskapazitätskennlinien, die bei Tj = 25°C und Tj = 125°C aus Einschaltvorgängen (VDClink = 30 V, RG = 180 Ω und IL = 150 A) ermittelt wurden. Eine Korrektur der Messspannung bezüglich der Spannungsabfälle über den parasitären Elementen wurde zunächst nicht vorgenommen. Die Darstellung lässt eine relativ starke Abhängigkeit der Kapazität von der Junktiontemperatur vermuten. Da konkretere Aussagen jedoch nur gemacht werden sollten, wenn der Einfluss der parasitären Elemente berücksichtigt wird, stellen 75 und 76 die Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien dar, die aus Ein- und Ausschaltvorgängen unter Berücksichtigung der notwendigen Spannungsmodifikationen bestimmt wurden. Dabei sind für die parasitären Elemente dieselben Werte wie in Abschnitt 3.5.2. – Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Schaltgeschwindigkeit – verwendet worden.Characteristics of semiconductors are known to be temperature dependent. Since the switching losses are heavily influenced by the capacitance Crss, compares 74 Feedback capacitance characteristics determined at T j = 25 ° C and T j = 125 ° C from turn-on operations (V DClink = 30V , R G = 180Ω and I L = 150A ). A correction of the measuring voltage with respect to the voltage drops across the parasitic elements was not initially made. The representation suggests a relatively strong dependence of the capacity on the junction temperature. However, since more concrete statements should only be made if the influence of the parasitic elements is taken into account 75 and 76 the large signal feedback capacitance characteristics, which were determined from on and off operations, taking into account the necessary voltage modifications. The parasitic elements have the same values as in Section 3.5.2. - Dependence of the reaction capacity on the switching speed - been used.

Folgendes Resümee kann aus den Abbildungen 75 und 76 gezogen werden:

  • • Die Rückwirkungskapazitätskennlinie ist beim Ein- und beim Ausschalten abhängig von der Junktiontemperatur Tj. So liegt die Rückwirkungskapazitätskennlinie von höheren Temperaturen beim Ein- und Ausschalten über der entsprechenden Kennlinie bei niedrigeren Temperaturen. Die Schaltverluste des MOSFET steigen demnach mit der Temperatur.
  • • Der Abstand der Kennlinien ist nicht konstant. So sind die Abweichungen der Kennlinien für negative und kleine positive Drain-Gate-Spannungen am stärksten. Bei höheren Drain-Gate-Spannungen nähern sich die Kapazitätskennlinien einander an.
  • • Die charakteristische Form der Kennlinie wird durch die Temperatur jedoch nicht verändert.
  • • Die Abbildung 76 bestätigt auch, dass die Stromkommutierungsgeschwindigkeit und die Millerspannung beim Ausschalten durch die Temperatur beeinflusst werden, da sich die „Drain-Gate-Überspannungsspitzen" für die beiden Kurven um einige Volt unterscheiden.
The following summary can be found in the pictures 75 and 76 to be pulled:
  • • The reaction capacity characteristic curve depends on the junction temperature T j when switching on and off. Thus, the reaction capacity characteristic curve of higher temperatures during switching on and off is above the corresponding characteristic curve at lower temperatures. The switching losses of the MOSFET accordingly increase with the temperature.
  • • The distance of the characteristic curves is not constant. The deviations of the characteristic curves are the strongest for negative and small positive drain-gate voltages. At higher drain-gate voltages, the capacitance characteristics approximate each other.
  • • The characteristic shape of the characteristic is not changed by the temperature.
  • • The illustration 76 also confirms that the current commutation rate and miller voltage are affected by the temperature when turned off, as the "drain-gate overvoltage tips "for the two curves differ by a few volts.

Die Abbildungen 77 (Tj = 25°C) und 78 (Tj = 125°C) zeigen die zeitlichen Verläufe zu den beiden Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien. Die Abbildungen 79 (Tj = 25°C) und 80 (Tj = 125°C) präsentieren aus Dokumentations- und Informationsgründen die zeitlichen Verläufe der Einschaltkennlinien. Bei genauer Betrachtung der vier Abbildungen ist erkennbar, dass sich das Millerplateau sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten bei höheren Junktiontemperaturen bei kleineren Gate-Source-Spannungen ausbildet. Die Breite der Überspannungsspitze in den Ausschaltverläufen verdeutlicht außerdem, dass die Stromkommutierung bei niedrigen Temperaturen schneller abgeschlossen ist.The pictures 77 ( Tj = 25 ° C) and 78 (T j = 125 ° C) show the time courses to the two large signal feedback capacity characteristics. The pictures 79 ( Tj = 25 ° C) and 80 (T j = 125 ° C) present, for documentation and information reasons, the time characteristics of the switch-on characteristics. A closer look at the four figures shows that the Miller plateau is formed at lower junction-to-source voltages both at turn-on and turn-off at higher junction temperatures. The width of the overvoltage peak in the Ausschaltverläufen also illustrates that the current commutation is completed faster at low temperatures.

Fasst man die Erkenntnisse in Richtlinien zur Messung der Rückwirkungskapazität zusammen, so muss festgestellt werden, dass die Kennlinie aus dynamischen Messungen der Temperatur ermittelt werden sollte, die für Applikationsschaltungen des Schalters typisch sind. Trotz der auftretenden Unterschiede muss jedoch angemerkt werden, dass die Abweichungen der Kennlinien für ein weites Temperaturspektrum relativ gering sind. Inwiefern sie aus Sicht der Verluste sowie Strom- und Spannungstransienten eine Rolle spielen, sollte bei Bedarf in weiterführenden Untersuchungen simulativ überprüft werden. Die Abhängigkeit der Großsignalrückwirkungskapazität von der Temperatur impliziert, dass auch die Kapazität Crssdiff von der Temperatur abhängig ist. Da das verwendete Schaltermodell Temperaturveränderungen der nicht berücksichtigt, wird auf die Ermittlung von differentiellen Kapazitäten für verschiedene Temperatur verzichtet. Alle Parameter des Modells sollten bei der Temperatur ermittelt werden, die anschließend simuliert werden soll. Die Bestimmung der differentiellen Kapazität kann nach den in Abschnitt 3.5.2.2. – Differentiele Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – vorgestellten Methoden erfolgen.Summarizing the findings in Guidelines for Measuring Reaction Capacitance, it should be noted that the characteristic should be determined from dynamic temperature measurements typical of switch application circuitry. Despite the differences that occur, however, it must be noted that the deviations of the characteristic curves for a wide temperature spectrum are relatively small. The extent to which they play a role from the point of view of losses as well as current and voltage transients should be checked simulatively in further investigations if necessary. The dependence of the large signal reaction capacity on the temperature implies that the capacitance Crss diff also depends on the temperature. Since the switch model used does not take temperature changes into account, the determination of differential capacitances for different temperatures is dispensed with. All parameters of the model should be determined at the temperature to be subsequently simulated. The determination of the differential capacitance may be carried out according to the methods described in Section 3.5.2.2. - Different reaction capacity Crss diff (R G ) - methods presented.

3.5.6. Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität vom Laststrom3.5.6. Dependence of the reaction capacity from the load current

Wie und wo das Ausgangskennlinienfeld während des Schaltens durchlaufen wird, ist abhängig vom Laststrom IL. Da deshalb anzunehmen ist, dass sich die Rückwirkungskapazitätskennlinien verschiedener Laststromstärken uriterscheiden, wird in diesem Abschnitt das Verhalten der Kennlinien in Abhängigkeit vom Laststrom untersucht. Dabei wird von langsamen Schaltverläufen mit einem Gatewiderstand RG = 180 Ω ausgegangen, weil dann die die Auswertung erschwerenden Schwingungen zwischen den parasitären Elementen weitestgehend gedämpft sind. 81 vergleicht drei Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien, die aus Einschaltvorgängen verschiedener Laststromstärken ermittelt wurden. Eine Korrektur der Messspannung bezüglich der Spannungsabfälle über den parasitären Elementen wurde nicht vorgenommen. Die Darstellung lässt eine nicht zu vernachlässigende Abhängigkeit der Kapazität von der Stromstärke vermuten. Da konkrete Aussagen jedoch nur gemacht werden können, wenn der Einfluss der parasitären Elemente berücksichtigt wird, stellen 82 und 83 drei Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien dar, die aus Ein- und Ausschaltvorgängen verschiedener Laststromstärken unter Berücksichtigung der notwendigen Spannungsmodifikationen ermittelt wurden. Dabei wurden für die parasitären Elemente dieselben Werte wie in Abschnitt 3.5.2. – Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Schaltgeschwindigkeit – verwendet. Folgendes Resümee ergibt sich aus den Abbildungen 82 und 83:

  • • Die Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinie ist sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten relativ unabhängig von der Lastromstärke IL.
How and where the output characteristic field is traversed during switching depends on the load current I L. Since it can therefore be assumed that the reaction capacitance characteristic curves of different load current intensities are absolute, the behavior of the characteristic curves as a function of the load current is examined in this section. It is assumed that slow switching curves with a gate resistance R G = 180 Ω, because then the evaluation aggravating vibrations between the parasitic elements are largely damped. 81 compares three large signal feedback capacitance curves, which were determined from switch-on operations of different load currents. A correction of the measuring voltage with respect to the voltage drops across the parasitic elements has not been made. The representation suggests a non-negligible dependence of the capacity on the current. However, since concrete statements can only be made if the influence of the parasitic elements is taken into account 82 and 83 three Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien is that were determined from on and off operations of different load currents, taking into account the necessary voltage modifications. The same values for the parasitic elements as in Section 3.5.2. - Dependence of the reaction capacity on the switching speed - used. The following summary is shown in the figures 82 and 83 :
  • • The large signal feedback capacity characteristic is relatively independent of the load current I L both when switching on and off.

Zu den Einschaltkennlinien:To the switch-on characteristics:

  • • Während des Einschaltens wird die Kennlinie von rechts nach links durchlaufen.• During power up the characteristic is traversed from right to left.
  • • Die korrigierten Einschaltkennlinien lassen im Gegensatz zu den nicht korrigierten Kennlinien keine Tendenz zu einer Verringerung der Kapazitätswerte bei kleineren Laststromstärken erkennen. Vermutlich sind die Abweichungen zwischen den Kennlinien auf statistische Schwankungen bzw. auf numerische Probleme in der Nähe von VDG = 0 V zurückzuführen. Weitere Untersuchungen sind in jedem Fall ratsam, um genauere Aussagen machen zu können.• The corrected switch-on characteristics, in contrast to the non-corrected characteristic curves, show no tendency to reduce the capacitance values at lower load currents. Presumably, the deviations between the characteristics are due to statistical fluctuations or to numerical problems in the vicinity of V DG = 0 V. Further investigations are always advisable in order to be able to make more precise statements.
  • • Bei höheren Drain-Gate-Spannungen kann jedoch scheinbar davon ausgegangen werden, dass die Spannung, ab der die Kennlinie ansteigt, abhängig von der Laststromstärke ist. So steigt beispielsweise die Kennlinie CrssLS_150A bei einer kleineren Drain-Gate-Spannung an als die Kennlinie CrssLA_10A. Dieser „Knickpunkt" in den Kennlinien zeigt das Ende der Stromkommutierung an und damit auch eine starke Veränderung im Anstieg der Drain-Gate-Spannung. So ist der Anstieg der Drain-Gate-Spannung während der Stromkommutierung wesentlich geringer als während der Spannungskommutierung (vgl. Abbildungen 84 und 85). Entsprechend des in Abschnitt 3.5.3. – Parallelen zwischen der Rückwirkungskapazität und der MOS-Kapazität – erläuterten Verhaltens der MOS-Kennlinie bei hoch- und niederfrequenten Messungen im Inversionsbereich, erklärt sich so auch das beobachtete Ansteigen der Kennlinie in diesem Punkt. Beurteilt man jedoch den untersuchten Stromstärkenbereich, so ist fraglich, ob eine Abweichung der Kennlinien um 0,5 nF bei der gegebenen Messgenauigkeit vernachlässigbar ist.• At higher drain-gate voltages, however, it can be assumed that the voltage at which the characteristic curve increases depends on the load current. For example, the Crss LS_150A characteristic increases at a lower drain-gate voltage than the Crss LA_10A characteristic. This "break point" in the characteristic curves indicates the end of the current commutation and thus also a strong change in the rise of the drain-gate voltage, so that the rise of the drain-gate voltage during the current commutation is much lower than during the voltage commutation (cf. pictures 84 and 85 ). As described in section 3.5.3. - Parallelism between the feedback capacitance and the MOS capacitance - explained behavior of the MOS characteristic with high and low frequency measurements in the inversion range, explains also so the observed increase in the characteristic curve in this Point. However, if one evaluates the investigated current intensity range, it is questionable whether a deviation of the characteristic curves by 0.5 nF is negligible given the measuring accuracy.

Zu den Ausschaltkennlinien:To the switch-off characteristics:

  • • Während des Ausschaltens wird die Kennlinie von links nach rechts durchlaufen.• During turn-off The characteristic is traversed from left to right.
  • • Die drei Kennlinien sind für weite Bereiche nahezu identisch.• The three characteristics are for wide ranges almost identical.
  • • Für negative Drain-Gate-Spannungen ist eine Tendenz zur Verringerung der Kapazitätswerte bei höheren Stromstärken zu erkennen. Allerdings lässt sich in diesem Bereich eine Annäherung der Kennlinien bei Verringerung des parasitären Drainwiderstandes konstatieren, ohne dass sich der Abstand der Kennlinien in den anderen Bereichen verändert. Ohne weiterführende Untersuchungen ist es also schwer abzuschätzen, ob hier wirklich eine Abhängigkeit vorliegt oder die parasitären Elemente nicht genau genug abgeschätzt wurden bzw. lediglich statistische Abweichungen zu beobachten sind.• For negative drain-gate voltages, one is Tendency to reduce the capacitance values at higher currents to recognize. However, in this area can be a Approximation of the characteristics with reduction of the parasitic Determine drain resistance, without changing the distance of the characteristics changed in the other areas. Without continuing Investigations are so hard to estimate, whether here really there is a dependency or the parasitic Elements were not estimated accurately enough or merely Statistical deviations are observed.
  • • Dieses Argument gilt jedoch nicht für hohe Drain-Gate-Spannungen. Auch beim Ausschalten lassen sich hier bei unterschiedlichen Laststromstärken verschiedene Drainstromanstiege feststellen, die die Kennlinien entsprechend beeinflussen. Allerdings zeigt sich zeitlich gesehen gegenüber den Einschaltverläufen ein entgegengesetzter Effekt. Die Drain-Gate-Spannungstransienten bleiben bei höheren Stromstärken infolge der größeren Überspannungen während der Stromkommutierung länger groß genug, um ein Ansteigen der Kapazitätskennlinie hinauszuzögern (vgl. 86 und 87).• This argument does not apply to high drain-gate voltages. Even when switching off different drain current gradients can be detected here at different load currents, which influence the characteristics accordingly. However, in terms of time compared to the switch-on shows an opposite effect. The drain-gate voltage transients remain at high currents due to the larger overvoltages during Stromkommutierung longer enough to delay an increase in the capacitance characteristic (see. 86 and 87 ).

Fasst man die neuen Erkenntnisse in Richtlinien zur Messung der Rückwirkungskapazität zusammen, so lässt sich feststellen:

  • 1. Aus verlusttechnischer Sicht spielen die Ausschaltvorgänge eine größere Rolle. Da sich die Kennlinien beim Ein- und Ausschalten unterscheiden, sollten sie aus einem Ausschaltvorgang bestimmt werden.
  • 2. Abhängigkeiten von der Laststromstärke ergeben sich vor allem im Bereich höherer Drain-Gate-Spannungen. Da die Spannungs- und Stromkommutierung beim Ausschalten im Wesentlichen mit Erreichen der Überspannungsspitze abgeschlossen ist, sollte die Kennlinie in diesem Bereich möglichst genau für den Nennstrom unter Berücksichtigung der parasitären Elemente bestimmt werden, da bei kleineren Strömen geringere Überspannungen erreicht werden.
  • 3. Sind keine Information zu den parasitären Elementen vorhanden bzw. ableitbar, so empfiehlt sich die Ermittlung bei kleinen Stromstärken, da der Einfluss der im Leistungskreis liegenden parasitären Elemente geringer ist. Möglicherweise ist dann jedoch eine Abschätzung der Kennlinie bis zu einer maximal möglichen Überspannung notwendig.
  • 4. Mit diesen Vereinfachungen genügt die Ermittlung der Kennlinie aus der Messing eines Betriebszustandes.
If the new findings are summarized in guidelines for the measurement of the reaction capacity, it can be stated:
  • 1. From a loss point of view, the switch-off processes play a greater role. Since the characteristics differ when switching on and off, they should be determined from a switch-off process.
  • 2. Dependencies on the load current intensity are especially in the range of higher drain-gate voltages. Since the voltage and current commutation when switching off is essentially completed when the overvoltage peak is reached, the characteristic in this range should be determined as accurately as possible for the rated current, taking into account the parasitic elements, since smaller overvoltages are achieved with smaller currents.
  • 3. If no information on the parasitic elements is present or derivable, then the determination is recommended at low currents, since the influence of parasitic elements in the power circuit is lower. However, it may then be necessary to estimate the characteristic curve up to a maximum possible overvoltage.
  • 4. With these simplifications, the determination of the characteristic curve from the brass of an operating state is sufficient.

Die Zusammenfassung macht deutlich, dass in den Bereichen, in denen die Ermittlung der Großsignalkapazität empfohlen wird, auch die differentielle Kapazität nahezu konstant ist. Deshalb wird auf eine Untersuchung der differentiellen Kapazität verzichtet, denn sie entspricht der Rückwirkungskapazität, die bei RG = 180 Ω in Abschnitt 3.5.2.2. – Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – bestimmt wurde.The summary makes it clear that in the areas in which the determination of the large signal capacity is recommended, the differential capacitance is also almost constant. Therefore, a study of the differential capacitance is dispensed with, since it corresponds to the retroactivity, which at R G = 180 Ω in Section 3.5.2.2. - Differential reaction capacity Crss diff (R G ) - was determined.

3.5.7. Abhängigkeit der Rickwirkungskapazität von der Zwischenkreisspannung3.5.7. Dependence of the Rickwirkungskapazität from the DC link voltage

Da die Drain-Gate-Spannung im eingeschalteten Zustand ungefähr der Treiberspannung VDr(on) und im ausgeschalteten Zustand der Zwischenkreisspannung VDClink entspricht, ist anzunehmen, dass die Rückwirkungskapazitätskennlinien von der Zwischenkreisspannung beeinflusst werden. Deshalb wird in diesem Abschnitt das Verhalten der Kennlinien in Abhängigkeit von der Spannung VDClink untersucht, wobei zahlreiche Aussagen getroffen werden, die denen im vorherigen Abschnitt ähnlich sind. Es soll dabei wieder von langsamen Schaltverläufen mit einem Gatevorwiderstand RG = 180 Ω ausgegangen werden, weil hier die die Auswertung erschwerenden Schwingungen weitestgehend gedämpft sind. 88 vergleicht drei Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien, die aus Einschaltvorgängen verschiedener Zwischenkreisspannungen VDClink ermittelt wurden. Eine Berichtigung der Messspannung bezüglich der Spannungsabfälle über den parasitären Elementen wurde nicht vorgenommen. Die Darstellung zeigt, dass die Kennlinien in weiten Bereichen nahezu identisch sind. Bei positiven Drain-Gate-Spannungen ist jedoch eine deutliche Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung zu erkennen.Since the drain-gate voltage in the switched-on state approximately corresponds to the drive voltage V Dr (on) and in the switched-off state of the intermediate circuit voltage V DClink , it can be assumed that the feedback capacitance characteristics are influenced by the intermediate circuit voltage. Therefore, in this section, the behavior of the characteristic curves is examined in dependence on the voltage V DClink , making numerous statements similar to those in the previous section. It should be assumed here again of slow switching curves with a gate resistor R G = 180 Ω, because here the evaluation aggravating vibrations are largely damped. 88 compares three large-signal feedback capacitance curves, which were determined from switch-on operations of different intermediate circuit voltages V DClink . An adjustment of the measuring voltage with respect to the voltage drops across the parasitic elements was not made. The illustration shows that the characteristic curves are almost identical in many areas. At positive drain-gate voltages, however, a significant dependence on the DC link voltage can be seen.

Es ist zu vermuten, dass die Beachtung der parasitären Elemente keinen wesentlichen Einfluss auf die Abstände zwischen den Kennlinien hat, da die Spannungsabfälle über den internen Induktivitäten und Widerständen von der Drain- und Gatestromstärke und der Geschwindigkeit der Stromkommutierung abhängig sind. Ob die Spannung VDClink nicht vielleicht einen Einfluss auf den Bereich der Spannungskommutierung und damit auf die Kennlinien hat, sollte dennoch untersucht werden. Deshalb stellen 89 und 90 drei Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien dar, die aus Ein- und Ausschaltvorgängen verschiedener Zwischenkreisspannungen unter Berücksichtigung der notwendigen Spannungsmodifikationen ermittelt wurden. Dabei wurden für die parasitären Elemente dieselben Werte wie in Abschnitt 3.5.2. – Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Schaltgeschwindigkeit – verwendet.It can be assumed that the consideration of the parasitic elements has no significant influence on the distances between the characteristic curves, since the voltage drops across the internal inductances and resistances depend on the drain and gate current intensity and the speed of the current commutation. Whether the voltage VDClink might not influence the range of voltage commutation and there with on the characteristics, should nevertheless be examined. Therefore ask 89 and 90 three Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinien is that were determined from on and off operations of various DC link voltages, taking into account the necessary voltage modifications. The same values for the parasitic elements as in Section 3.5.2. - Dependence of the reaction capacity on the switching speed - used.

Folgendes Resümee ergibt sich aus den Abbildungen 89 und 90:

  • • Der Definitionsbereich der Kennlinie ist (natürlich) abhängig von der Zwischenkreisspannung. So hat die Großsignalrückwirkungskapazitätskennlinie neben unabhängigen Kennlinienabschnitten sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten Abschnitte, die durch die Zwischenkreisspannung VDClink – aufgrund des typischen nieder- und hochfrequenten Verhaltens von MOS-Kapazitäten – relativ stark beeinflusst werden.
The following summary is shown in the figures 89 and 90 :
  • • The definition range of the characteristic curve is (of course) dependent on the DC link voltage. Thus, in addition to independent characteristic sections, the large-signal feedback capacitance characteristic has relatively strong influences both on and off switching due to the DC link voltage VDClink due to the typical low-frequency and high-frequency behavior of MOS capacitors.

Zu den Einschaltkennlinien:To the switch-on characteristics:

  • • Während des Einschaltens wird die Kennlinie von rechts nach links durchlaufen.• During power up the characteristic is traversed from right to left.
  • • Auch die korrigierten Einschaltkennlinien sind für negative und kleine positive Drain-Gate-Spannungen nahezu identisch und damit unabhängig von der Zwischenkreisspannung.• The corrected switch-on characteristics are also for negative and small positive drain-gate voltages almost identical and thus independent of the DC link voltage.
  • • Bei höheren Drain-Gate-Spannungen ist die Spannung, ab der die Kennlinie ansteigt, abhängig von der Zwischenkreisspannung. So steigt beispielsweise die Kennlinie CrssLS_20V bei einer kleineren Drain-Gate-Spannung an als die Kennlinie CrssLS_42V. In den Kennlinien sind zwei Knickpunkte KP1 und KP2 deutlich zu erkennen (vgl. 89). Der erste Knickpunkt in der Kennlinie deutet den Beginn der Stromkommutierung an. An dieser Stelle verändert sich im zeitlichen Verlauf der Anstieg der Drain-Gate-Spannung. Der zweite „Knickpunkt" in den Kennlinien zeigt das Ende der Stromkommutierung an und damit auch eine starke Veränderung im Anstieg der Drain-Gate-Spannung. Im zeitlichen Verlauf zeigt sich, dass der Anstieg der Drain-Gate-Spannung während der Stromkommutierung wesentlich geringer ist als während der Spannungskommutierung (vgl. 91 und 92). Entsprechend des in Abschnitt 3.5.3. – Parallelen zwischen der Rückwirkungskapazität und der MOS-Kapazität – erläuterten Verhaltens der MOS-Kennlinie bei hoch- und niederfrequenten Messungen im Inversionsbereich, erklärt sich so auch das beobachtete Ansteigen der Kennlinie in diesen Punkten.• At higher drain-gate voltages, the voltage at which the characteristic curve increases depends on the DC link voltage. For example, the characteristic Crss LS_20V increases at a lower drain-gate voltage than the characteristic Crss LS_42V . The characteristic curves clearly show two break points KP1 and KP2 (cf. 89 ). The first break point in the characteristic indicates the beginning of the current commutation. At this point, the increase in the drain-gate voltage changes over time. The second "break point" in the curves indicates the end of the current commutation, and thus also a large change in the drain-gate voltage increase, and over time, the drain-gate voltage increase during current commutation is much lower as during the voltage commutation (see. 91 and 92 ). As described in section 3.5.3. - Parallelism between the feedback capacitance and the MOS capacitance - explained behavior of the MOS characteristic in high- and low-frequency measurements in the inversion range, which also explains the observed increase in the characteristic curve at these points.

Zu denn Ausschaltkennlinien:To because switch-off characteristics:

  • • Während des Ausschaltens wird die Kennlinie von rechts nach links durchlaufen.• During turn-off the characteristic is traversed from right to left.
  • • Im Vergleich zu den Einschaltverläufen sind die Kennlinien für einen größeren Drain-Gate-Spannungsbereich nahezu identisch. Sie liegen praktisch bis zur Drain-Gate-Überspannungsspitze VDGmax auf einer Linie.• Compared to the switch-on characteristics, the characteristic curves for a larger drain-gate voltage range are almost identical. They are virtually in line with the drain-gate overvoltage peak V DGmax .
  • • Für hohe Drain-Gate-Spannungen unterscheidet sich ab VDGmax die Charakteristik der verschiedenen Kennlinien. In Abhängigkeit vom Anstieg der Drain-Gate-Spannung steigt die Kennlinie wieder an. Der Drain-Gate-Spannungsanstieg bleibt logischerweise bei höheren Zwischenkreisspannungen bis zu hohen Drain-Gate-Spannungen groß genug, um ein Ansteigen der Kapazitätskennlinie hinauszuzögern (vgl. 93 und 94).• For high drain-gate voltages, the characteristic of the different characteristic curves differs from V DGmax . Depending on the increase in the drain-gate voltage, the characteristic curve increases again. The drain-gate voltage rise logically remains high enough at higher DC link voltages up to high drain-gate voltages to delay an increase in the capacitance characteristic (cf. 93 and 94 ).

Fasst man die Erkenntnisse in Richtlinien zur Messung der Rückwirkungskapazität zusammen, so lässt sich analog zu den Betrachtungen zur Laststromabhängigkeit feststellen:Holds the findings in guidelines for measuring the reaction capacity together, so can analogously to the considerations to Determine load current dependency:

  • 1. Aus verlusttechnischer Sicht spielen die Ausschaltvorgänge eine größere Rolle. Da sich die Kennlinien beim Ein- und Ausschalten unterscheiden, sollten sie aus einem Ausschaltvorgang bestimmt werden.1. From a loss perspective play the Turn-off a greater role. Since the characteristics differ when switching on and off, should they be determined from a shutdown process.
  • 2. Abhängigkeiten von der Zwischenkreisspannung ergeben sich im Bereich höherer Drain-Gate-Spannungen. Da die Spannungs- und Stromkommutierung beim Ausschalten im Wesentlichen mit Erreichen der Überspannungsspitze abgeschlossen ist, sollte die Kennlinie in diesem Bereich möglichst genau für hohe Zwischenkreisspannungen unter Berücksichtigung der parasitären Elemente bestimmt werden. So kann die Kennlinie auch bei großen Gatewiderständen bestimmt werden, ohne dass die Drain-Gate-Spannung bereits aufgrund der Schaltgeschwindigkeit bei zu kleinen Spannungswerten ansteigt (vgl. Abschnitt 3.5.2. – Abhängigkeit der Rückwirkungskapazität von der Schaltgeschwindigkeit).2. Dependencies of the DC link voltage result in the range of higher drain-gate voltages. Since the voltage and Stromkommutierung when you turn off substantially with reaching the overvoltage peak is complete, the characteristic should be in this area as accurately as possible for high DC link voltages taking into account the parasitic elements be determined. Thus, the characteristic can also be large Gate resistors are determined without the drain-gate voltage already due to the switching speed at too low voltage values increases (see Section 3.5.2 - Dependency the reaction capacity of the switching speed).
  • 3. Mit diesen Vereinfachungen reicht es aus, die Kennlinie bei einer Zwischenkreisspannung zu ermitteln.3. With these simplifications, it is sufficient to include the characteristic curve to determine a DC link voltage.

Die Zusammenfassung der Abhängigkeit der Kennlinie von der Zwischenkreisspannung macht deutlich, dass in den Bereichen, in denen die Ermittlung der Großsignalkapazität empfohlen wird, die differentielle Kapazität nahezu konstant ist. Deshalb wird auf eine Untersuchung der differentiellen Kapazität verzichtet, da sie der Rückwirkungskapazität entspricht, die für RG = 180 Ω in Unterabschnitt 3.5.2.2. – Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – bestimmt wurde.The summary of the dependence of the characteristic on the intermediate circuit voltage makes it clear that in the areas in which the determination of the large signal capacity is recommended, the differential capacitance is almost constant. Therefore, a study of the differential capacitance is omitted since it corresponds to the retroactivity capacitance, which for R G = 180 Ω in subsection 3.5.2.2. - Differential reaction capacity Crss diff (R G ) - was determined.

3.6. Eingangskapazität Ciss3.6. Input capacity Ciss

3.6.1. Bestimmung der Eingangskapazität3.6.1. Determination of input capacity

Auch an dieser Stelle der Arbeit muss darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Arbeit durch iterative Prozesse entstanden ist und einige Erkenntnisse erst nach mehreren Auswertungs- und Untersuchungszyklen gewonnen wurden. Aufgrund der Tatsachen, dass die Parameterextraktion nur exemplarisch für einen Schalter durchgeführt wird und die Verifizierung für andere Niedervolt MOSFETs noch aussteht, ist es aus Effizienz- und Zeitgründen nicht sinnvoll, sämtliche Betrachtungen immer wieder nach dem neusten Stand der Erkenntnisse durchzuführen. Ziel ist es, das erworbene Wissen und gezielte Vorschriften zur Ermittlung der Kapazitätskennlinien zusammenzufassen, um eine Überprüfung der Ergebnisse unter Anwendung der dargelegten Methoden an weiteren Bauelementen zu ermöglichen.Also At this point the work must be noted that the present work was created by iterative processes and some findings only after several evaluation and examination cycles were won. Because of the facts that the parameter extraction only exemplarily carried out for a switch and verification for other low voltage MOSFETs is still outstanding, it is not for efficiency and time reasons meaningful, all considerations repeatedly after the to carry out the latest state of knowledge. the goal is it, the knowledge acquired and targeted rules for investigation to summarize the capacity curves to make a check the results using the methods set out on more To enable components.

Die Bestimmung der Eingangskapazität kann entsprechend der Ermittlung der Rückwirkungskapazität als differentielle und als Großsignalkapazität erfolgen. Bei ersten Untersuchungen wurde allerdings sowohl die Rückwirkungskapazität als auch die Eingangskapazität nur als Großsignalkapazität ohne Berücksichtigung der parasitären Elemente für eine Vielzahl von Arbeitspunkten ermittelt. Die starke Beeinflussung der Schaltverläufe durch die stark spannungsabhängige Rückwirkungskapazität und die Tatsache, dass die simulative Umsetzung der differentiellen Kapazität aufgrund der entsprechenden Stromgleichung (3.2) relativ simpel ist, hat eine ausführliche Betrachtung der differentiellen Rückwirkungskapazität unter Berücksichtigung der neuen Erkenntnisse notwendig gemacht. Bei der Eingangskapazität wird darauf verzichtet. Für die Ausschaltbedingungen VDClink = 30 V, IL = 150 A, RG = 180 Ω und TJ = 25°C wird nachfolgend die ursprünglich ermittelte Großsignalkennlinie mit der Großsignalkennlinie verglichen, die den Einfluss der parasitären Elemente berücksichtigt, und die differentielle Kapazitätskennlinie bestimmt. In Abschnitt 3.6.2. – Arbeitspunktabhängigkeit der Eingangskapazität – wird dann die Arbeitspunktabhängigkeit mit den ursprünglich ermittelten Kennlinien dargestellt, aus denen sich dann aufgrund der Erkenntnisse aus diesem Abschnitt Aussagen ableiten lassen, worauf jedoch weitestgehend verzichtet wird. Bei fortführenden Arbeiten sollten dann die genaueren Analysen möglichst an verschieden Bauelementen durchgeführt und ein entsprechender Kennlinienvergleich für die verschiedenen Betriebsparameter durchgeführt werden.The determination of the input capacitance can be carried out according to the determination of the feedback capacity as a differential and as a large signal capacity. In the first investigations, however, both the feedback capacitance and the input capacitance were determined only as large signal capacitance without consideration of the parasitic elements for a variety of operating points. The strong influence of the switching characteristics due to the high voltage-dependent feedback capacity and the fact that the simulative conversion of the differential capacitance is relatively simple due to the corresponding current equation (3.2) has necessitated a detailed consideration of the differential feedback capacity taking into account the new findings. In the input capacity is waived. For the switch-off conditions V DClink = 30 V, I L = 150 A, R G = 180 Ω and T J = 25 ° C, the originally determined large-signal characteristic is compared with the large-signal characteristic taking into account the influence of the parasitic elements and the differential capacitance characteristic certainly. In section 3.6.2. - Working point dependence of the input capacitance - then the operating point dependence is shown with the originally determined characteristics, from which then based on the findings from this section can derive statements, but this is largely dispensed with. In the case of continuing work, the more precise analyzes should then be carried out on different components as far as possible and a corresponding characteristic comparison for the various operating parameters should be carried out.

Da die Beeinflussung durch die parasitären Elemente geringer und vorhandene Schwingungen stärker gedämpft sind, werden die genannten Analysen für einen langsamen Ausschaltverlauf mit VDClink = 30 V, IL = 150 A, RG = 180 Ω und Tj = 25°C realisiert. Die Ermittlung der Großsignaleingangskapazität erfolgt nach Gleichung (3.9) aus

Figure 00450001
Since the influence of the parasitic elements is lower and existing vibrations are more attenuated, the analyzes mentioned for a slow turn-off with V DClink = 30 V, I L = 150 A, R G = 180 Ω and T j = 25 ° C realized. The determination of the large signal input capacitance takes place according to equation (3.9)
Figure 00450001

Die differentielle Eingangskapazität kann näherungsweise mit der Gleichung (3.3) aus

Figure 00450002
bestimmt werden. Dabei sollte i unter Beachtung der Messpunktdichte möglichst klein gewählt werden, um die Genauigkeit der numerischen Differentiation zu erhöhen. Aufgrund des Messrauschens ist es jedoch mitunter notwendig, i > 1 zu wählen, um numerische Probleme (beispielsweise die Division durch Null) zu vermeiden.The differential input capacitance can be approximated by equation (3.3)
Figure 00450002
be determined. In this case, i should be chosen as small as possible, taking into account the measuring point density, in order to increase the accuracy of the numerical differentiation. However, due to the measurement noise, it is sometimes necessary to select i> 1 to avoid numerical problems (for example, division by zero).

Die Gleichungen zeigen, dass zunächst vereinfachend davon ausgegangen wird, dass die Eingangskapazität lediglich von der Gate-Source-Spannung abhängig ist. Zwischen dem Gate- und dem Sourceanschluss kann dann mit den Gleichungen (3.36) und (3.37) die kapazitive Wirkung der gesamten Messschaltung zwischen den beiden Schalterelektroden während des Schaltens bestimmt werden. Zur Abschätzung der Ladung Qi(t) in der Eingangskapazität wurde – wie bei der Rückwirkungskapazität – zuerst die Ladungsänderung zwischen zwei Messpunkten abgeschätzt und die Ladungsinkremente nach Gleichung (3.25) kalkuliert. Die insgesamt bis zum Zeitpunkt tn ins Gate geflossene Ladung QGtot ergibt sich entsprechend der Summengleichung (3.26). Unter der Bedingung, dass zum Zeitpunkt tvi gilt VGSmess(tvi) = 0 V ↔ Qi(tvi) = 0 C, (3.38)kann die Ladung Qi in der Eingangskapazität zum Zeitpunkt tn bestimmt werden mit Qi(tn) = QGtot(tn) – QGtot(tvi). (3.39) The equations show that, for the sake of simplification, it is assumed that the input capacitance depends only on the gate-source voltage. Between the gate and the source, the capacitive effect of the entire measuring circuit between the two switch electrodes during switching can then be determined by equations (3.36) and (3.37). To estimate the charge Q i (t) in the input capacitance, as in the case of the retroactivity capacitance, the charge change between two measurement points was first estimated and the charge increments calculated according to equation (3.25). The total charge Q Gtot which has flowed into the gate up to the time t n results according to the summation equation (3.26). Under the condition that at time t vi applies V GSmess (t vi ) = 0 V ↔ Q i (t vi ) = 0 C, (3.38) For example, the charge Q i in the input capacitance at time t n can be determined with Q i (t n ) = Q gtot (t n ) - Q gtot (t vi ). (3:39)

95 zeigt die determinierte Großsignalkapazitätskennlinie des Ausschaltvorgangs IL = 150 A, RG = 180 Ω, VDClink = 30 V und TJ = 25°C, die aus der Auswertung der Messdaten bestimmt wurde. Bei erster Betrachtung der Kennlinie fällt auf, dass numerische Probleme in der Nähe von VGS = 0 V – ähnlich wie bei der Rückwirkungskapazität – auftreten. Der charakteristische Sprung in der Eingangskapazitätsfunktion ergibt sich während des Millerplateaus bzw. der Spannungskommutierung durch die stark spannungsabhängige Drain-Gate-Kapazität. Links und rechts von diesem Spannungssprung scheint sich die Kapazität annähernd linear fallend zu verhalten. 95 shows the determined large signal capacity characteristic of the turn-off I L = 150 A, R G = 180 Ω, V DC link = 30 V and T J = 25 ° C, which was determined from the evaluation of the measured data. When looking at the characteristic curve for the first time, it is noticeable that numerical problems occur near V GS = 0 V, similar to the reaction capacitance. The characteristic jump in the input capacitance function occurs during the Millerplateaus or voltage commutation by the highly voltage-dependent drain-gate capacitance. To the left and to the right of this voltage jump, the capacity seems to be decreasing almost linearly.

Die Kennlinie unterscheidet sich jedoch von der Kennlinie, die sich direkt am Chip ergeben würde. 21 stellt die Spannungsdefinitionen über den parasitären Elementen des Schalters dar. Es ergibt sich entsprechend der Maschengleichung die Chipspannung UGSchip = VGSmess – VRGint – VLG – VRS – VLS (3.40) However, the characteristic differs from the characteristic that would result directly on the chip. 21 represents the voltage definitions across the parasitic elements of the switch. The result is the chip voltage according to the mesh equation U GSchip = V GSmess - V RGint - V LG - V RS - V LS (3:40)

Die Abbildungen 96, 97, 98, 99 und 100 zeigen den Einfluss der parasitären Elemente auf die Kapazitätskennlinie Ciss(VGSmess), zunächst einzeln und dann gemeinsam betrachtet. Dabei werden die internen und die Anschlusswiderstände sowie die internen und die Anschlussinduktivitäten mit denselben Werten belegt wie bei der Bestimmung der Rückwirkungskapazität. Im unteren Schalter hat die Sourceinduktivität denselben Wert wie die Draininduktivität (vgl. Unterabschnitt 4.2.2.2. – Bestimmung der Induktivitäten und Widerstände).The pictures 96 . 97 . 98 . 99 and 100 show the influence of the parasitic elements on the capacitance characteristic Ciss (V GSmess ), first individually and then considered together. The internal and the connection resistances as well as the internal and the connection inductances are assigned the same values as in the determination of the reaction capacitance. In the lower switch, the source inductance has the same value as the drain inductance (see subsection 4.2.2.2 - Determination of Inductances and Resistors).

96 deutet an, dass es beim Ein- und Ausschalten aufgrund des Spannungsabfalls über dem internen Gatewiderstand zu einer Verschiebung der Millerspannung am Chip kommt. Beim Ausschalten erhöht sich die Spannung am Chip gegenüber der Messspannung, beim Einschalten verringert sie sich entsprechend in Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit bzw. dem Gatevorwiderstand. Bei kleinen Gatevorwiderständen verstärkt sich dieser Effekt aufgrund der Spannungsteilung zwischen dem internen Gatewiderstand und dem Gatevorwiderstand. 96 indicates that there is a shift in the miller voltage across the chip when turned on and off due to the voltage drop across the internal gate resistor. When switched off, the voltage on the chip increases with respect to the measuring voltage. When switched on, it reduces accordingly depending on the switching speed or the gate resistor. For small gate resistors, this effect increases due to the voltage sharing between the internal gate resistor and the gate resistor.

Die Beeinflussung durch die Gateinduktivität ist bei langsamen Schaltverläufen vernachlässigbar (97). Bei schnelleren Schaltverläufen wird die Kapazitätskennlinie beim Ausschalten in der Nähe von VGS = VDr(on) und beim Einschalten um VGS = VDr(off) verändert. Beim Ausschalten ist eine Verringerung der Eingangskapazität und beim Einschalten eine Vergrößerung der Eingangskapazität zu erwarten, da die Chipspannung VGSchip (vgl. Gleichung (3.40)) anstelle von VGSmess in Gleichung (3.36) verwendet wird. Der Einfluss des internen und des Anschlusssourcewiderstandes RS ist signifikant (98). Der Spannungsabfall verursacht eine verringerte Millerspannung und größere Kapazitätswerte zwischen der Schwellenspannung und der Treiberspannung aufgrund des Stromflusses durch den Schalter in Abhängigkeit von der momentanen Stromstärke.The influence of the gate inductance is negligible in slow switching processes ( 97 ). For faster switching operations, the capacitance characteristic is changed when switching off in the vicinity of V GS = V Dr (on) and at power-up by V GS = V Dr (off) . When turning off, it is expected to reduce the input capacitance and increase the input capacitance at power up, since the chip voltage V GSchip (see equation (3.40)) is used instead of V GSmess in equation (3.36). The influence of the internal and terminal source resistance R S is significant ( 98 ). The voltage drop causes a reduced Miller voltage and larger capacitance values between the threshold voltage and the drive voltage due to the current flow through the switch as a function of the instantaneous current.

Die Sourceinduktivität beeinflusst die Kennlinie während der Stromkommutierung (99). Beim Ausschalten sinken und beim Einschalten steigen die Kapazitätswerte in diesem Bereich der Kapazitätsfunktion. Aufgrund der Beeinflussung der Schaltgeschwindigkeit durch den Gatevorwiderstand ist dieser Effekt für verschiedene Gatewiderstände unterschiedlich stark.The source inductance influences the characteristic during current commutation ( 99 ). When switching off and when switching on, the capacitance values in this range of the capacitance function increase. Due to the influence of the switching speed by the gate resistor this effect is different for different gate resistances.

100 zeigt die Kapazitätskennlinie unter Berücksichtigung aller parasitären Elemente für den Ausschaltvorgang IL = 150 A, RG = 180 Ω, VDClink = 30 V und TJ = 25°C. Eine direkte Auswertung der korrigierten Messdaten zur Ermittlung der differentiellen Kapazität führt aufgrund des Messrauschens zu keinem auswertbaren Ergebnis, wie 101 zeigt. 100 shows the capacitance characteristic taking into account all the parasitic elements for the turn-off I L = 150 A, R G = 180 Ω, VDClink = 30 V and T J = 25 ° C. A direct evaluation of the corrected measurement data to determine the differential capacitance leads to no evaluable result, such as 101 shows.

Deshalb werden am Beispiel des Ausschaltverlaufs IL = 150 A, RG = 180 Ω, VDClink = 30 V und TJ = 25°C die Ergebnisse dokumentiert, die sich ergeben, wenn man die in Unterabschnitt 3.5.2.2. – Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – beschriebene Variante 1 zur Ermittlung der differentiellen Kapazität verwendet. Um einen Eindruck zu bekommen wie empfindlich die Kennlinie auf die parasitären Elemente bzw. auf die verwendeten Messpunkte reagiert, werden die Ladungskurven Qi(VGSmess) und Qi(VGsechip) approximiert und daraus die Kennlinien Cissdiff(VGSmess) und Cissdiff(VGSchip) bestimmt und einander gegenübergestellt (vgl. 102 (Ermittlung des ersten Abschnittes von Cissdiff aus Qi(VGSmess) mittels TableCurve2D), 103 (Ermittlung des ersten Abschnittes von Cissdiff aus Qi(VGSchip) mittels TableCurve2D), 104 (Ermittlung des zweiten Abschnittes von Cissdiff aus Qi(VGSmess) mittels TableCurve2D) und 105 (Ermittlung des zweiten Abschnittes von Cissdiff aus Qi(VGSchip) mittels TableCurve2D)).For this reason, the results of the switch-off process I L = 150 A, R G = 180 Ω, V DClink = 30 V and T J = 25 ° C are used to document the results, which are obtained in subsection 3.5.2.2. - Differential reaction capacity Crss diff (R G ) - Variant 1 described used for determining the differential capacitance. To get an impression of how sensitive the characteristic curve reacts to the parasitic elements or to the measuring points used, the charge curves Qi (V GSmess ) and Qi (V Gsechip ) are approximated and from this the characteristics Ciss diff (V GSmess ) and Ciss diff ( V GSchip ) and compared (cf. 102 (Determination of the first section of Ciss diff from Qi (V GSmess ) using TableCurve2D), 103 (Determination of the first section of ciss diff from Qi (V GSchip ) by means of TableCurve2D), 104 (Determination of the second section of Ciss diff from Qi (V GSmess ) using TableCurve2D) and 105 (Determination of the second section of Ciss diff from Qi (V GSchip ) using TableCurve2D)).

Unter der vereinfachenden Annahme, dass zum Zeitpunkt der Spannungskommutierung der Gatestrom nicht in die Eingangs- sondern in die Rückwirkungskapazität fließt, kann dieser Bereich der Kennlinie vernachlässigt werden. Deshalb wird die Ladungskurve Qi(VGS) in zwei Bereichen – vor und nach dem Millerplateau – gefittet und die Ableitung zur Berechnung der differentiellen Kapazität gebildet. Die Ergebnisse sind in den Abbildungen 102 bis 105 dargestellt. Bei Betrachtung des oberen Kennliniebereiches fällt auf, dass die Cissdiff-Kennlinien für die beiden Spannungen VGSchip und VGSmess eine qualitativ ähnliche Charakteristik aufweisen. Deutliche Unterschiede ergeben sich jedoch für den unteren Kennlinienbereich nach Überschreiten der Schwellenspannung, da mit dem Beginn der Stromkommutierung eine Anstiegsveränderung der Ladungskurve Qi(VGS) durch die Spannungsabfälle über den parasitären Elementen im Leistungskreis einhergeht. Während der Stromkommutierung ist die differentielle Eingangskapazität des Chips also um einiges geringer als die Kapazität, die aus der direkten Auswertung der Messdaten gewonnen wird. Weiterführende Aussagen zur Eingangskapazität werden bei der Beschreibung der Modellvorstellung des MOSFETs in Abschnitt 3.8. – Modellvorstellung der Schalterkapazitäten für die Simulation – und bei der simulativen Untersuchung der Kapazitätskennlinien in einem Arbeitspunkt in Abschnitt 4.3. abgeleitet.Under the simplifying assumption that the gate current does not flow into the input capacitance but into the reaction capacitance at the time of the voltage commutation, this region of the characteristic curve can be neglected. Therefore, the charge curve Qi (V GS ) is fitted in two areas - before and after the Miller plateau - and the derivative is formed to calculate the differential capacitance. The results are in the pictures 102 to 105 shown. When considering the upper characteristic region, it is noticeable that the ciss diff characteristic curves have a qualitatively similar characteristic for the two voltages V GSchip and V GSmess . Significant differences, however, result for the lower characteristic range after exceeding the threshold voltage, since with the beginning of Stromkommutierung an increase in the charge curve Qi (V GS ) is accompanied by the voltage drops across the parasitic elements in the power circuit. During the current commutation, the differential input capacitance of the chip is thus much lower than the capacitance that is obtained from the direct evaluation of the measured data. Further statements on input capacitance will be provided in the description of the model of the MOSFET in Section 3.8. - Model presentation of the switch capacities for the simulation - and in the simulative study of the capacitance characteristics at an operating point in Section 4.3. derived.

3.6.2. Arbeitspunktabhängigkeit der Eingangskapazität3.6.2. Bias dependence the input capacity

Die nachfolgend erläuterten Abbildungen dienen der Dokumentation der Arbeitspunktabhängigkeit der Großsignaleingangskapazität CissLS. Dabei werden verschiedene Betriebsbedingungen miteinander verglichen, die noch beliebig ergänzt werden können und keinen Anspruch auf Vollständigkeit erheben. Die Beurteilung der Kennlinien ist nur eingeschränkt möglich, da die Kennlinien aus den Messdaten bestimmt worden sind. Für genauere Aussagen müssten die Daten der differentiellen Kennlinien unter Berücksichtigung der parasitären Elemente bestimmt werden und eine Offsetkorrektur des Gatestromes vorgenommen werden.The figures explained below are used to document the operating point dependency of the large signal input capacitance Ciss LS . Different operating conditions are compared, which can be supplemented as desired and do not claim to be complete. The evaluation of the characteristic curves is only possible to a limited extent, since the characteristic curves have been determined from the measured data. For more accurate statements, the data of the differential characteristics would have to be determined taking into account the parasitic elements and an offset correction of the gate current should be made.

Entsprechend der Erkenntnisse aus Unterkapitel 3.6.1 – Bestimmung der Eingangskapazität – ist mit folgenden Effekten in den Darstellungen durch eine Berücksichtigung der parasitären Elemente zu rechnen. Dabei ist die Stärke der Effekte stark sowohl von der Schaltgeschwindigkeit bzw. vom Gatevorwiderstand und den sich ergebenden Transienten, als auch von der Laststromstärke abhängig. Mitunter sind sie also auch vernachlässigbar.

  • 1. Unter Berücksichtigung des internen Gatewiderstandes und des Anschlussgatewiderstandes vergrößert sich die Millerspannung beim Ausschalten, und sie verringert sich beim Einschalten gegenüber der aus Messdaten ermittelten Spannung aufgrund der Gatestromrichtung.
  • 2. Beachtet man die interne Gateinduktivität und die Anschlussgateinduktivität, verringert sich die Großsignaleingangskapazität beim Ausschalten bei VGS = VDr(on), und sie vergrößert sich beim Einschalten bei VGS = VDr(off) gegenüber der ursprünglich ermittelten Kennlinie aufgrund des Vorzeichens des Gatestromanstiegs.
  • 3. Die interne Sourceinduktivität und die Anschlusssourceinduktivität verursacht während der Stromkommutierung (zwischen Schwellen- und Millerspannung) aufgrund des Vorzeichens des Drainstromanstiegs dID/dt beim Ausschalten eine Verringerung der Kapazitätswerte und beim Einschalten eine Erhöhung der Kapazitätswerte gegenüber den Werten, die aus der Messspannung ermittelt wurden.
  • 4. Der interne Sourcewiderstand und der Anschlusssourcewiderstand bewirken sowohl beim Ein- als auch beim Ausschalten eine Verringerung der Gate-Source-Spannung im Chip. Die tatsächlichen Großsignalkapazitätswerte liegen also für VGS > VGSth, über den Kapazitätswerten, die aus der Messspannung bestimmt wurden.
According to the findings of subchapter 3.6.1 - Determining the input capacitance - the following effects in the representations can be expected by considering the parasitic elements. The strength of the effects is strongly dependent on both the switching speed or the gate resistor and the resulting transients, as well as the load current. Sometimes they are negligible.
  • 1. Taking into account the internal gate resistance and the terminal gate resistance, the Miller voltage increases at turn-off, and decreases at power-up compared to the measured-data voltage due to the gate current direction.
  • 2. Considering the internal gate inductance and the terminal gate inductance, the large signal input capacitance at turn-off decreases at V GS = V Dr (on) , and increases at V GS = V Dr (off) with respect to the originally determined characteristic due to the sign when turned on of the gate increase.
  • 3. The internal source inductance and the terminal source inductance cause a decrease in capacitance values during current commutation (between threshold and mill voltage) due to the sign of drain current rise dI D / dt at power off and an increase in capacitance values at power-up compared to the values derived from the measurement voltage were.
  • 4. The internal source resistance and the terminal source resistance cause a reduction of the gate-source voltage in the chip both on and off. The actual large signal capacity values are thus for V GS > V GSth , over the capacitance values , which were determined from the measurement voltage.

Zuerst soll nun auf die sich ergebenden Unterschiede der Großsignaleingangskapazitätskennlinie in Abhängigkeit vom Schaltvorgang eingegangen werden. Aus der Darstellung 106 (Vergleich der Eingangskapazität CissLS beim Ein- und Ausschalten bei verschiedenen Zwischenkreisspannungen mit IL = 150 A; RG = 180 Ohm und Tj = 25°C) lassen sich dazu folgende Schlussfolgerungen ziehen:

  • • Die ermittelte Großsignalkennlinie CissLS(VGSmess) des Ausschaltverlaufs liegt über der Kennlinie des Einschaltverlaufs. Auch die stationären Endpunkte der Großsignaleingangskapazitäten CissLS(VGSmess) unterscheiden sich. In Abschnitt 3.5.4. – Vergleich der Rückwirkungskapazität beim Ein- und Ausschalten – wurde dokumentiert, dass diese Abweichungen vermutlich auf Messfehler zurückzuführen sind. Eine entsprechende Untersuchung, die neben dem Offset des Gatestromes auch parasitäre Elemente berücksichtigt, wurde nachträglich für eine Betriebsbedingung durchgeführt und bestätigte diese Annahme auch für die Großsignaleingangskapazität. Sie ist im Unterkapitel 4.3. – Untersuchung der Kennlinie in einem Arbeitspunkt – aufgeführt.
  • • Anders als beim Ausschalten, entstehen beim Einschalten Schwingungen durch die sprunghafte Änderung der Gate-Source-Spannung zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses bzw. des Übergangs von der Strom- zur Spannungskommutierung. Diese sind bei einem Gatevorwiderstand von RG = 180 Ω schon relativ stark gedämpft. Es ist zu vermuten, dass die CissLS-Kennlinie bei kleinen, applikationstypischen Gatewiderständen aufgrund dieser Schwingungen nicht mehr auswertbar und das klassische Millerplateau durch die überlagerten Schwingungen nicht ersichtlich ist. Die Kennlinienauswertung sollte deshalb an möglichst langsamen Schaltvorgängen oder an den Ausschaltverläufen erfolgen.
  • • Die Abbildung zeigt, dass die Millerspannung bei den Ausschaltverläufen kleiner ist als bei den Einschaltverläufen. Im vorherigen Unterkapitel wurde jedoch die Wirkung des internen Gatewiderstandes erläutert. Demnach verschiebt sich die Millerspannung beim Ausschalten nach links und beim Einschalten nach rechts. Es ist also zu erwarten, dass sich die Millerspannungen beim Ein- und Ausschalten einander annähern.
  • • Eine Abhängigkeit der differentiellen Rückwirkungskapazität vom Schaltvorgang ist auch bei richtiger Kennlinienauswertung (Berücksichtigung des Gatestromoffsets und der parasitären Elemente) zu erwarten.
First, let us now discuss the resulting differences in the large signal input capacitance characteristic as a function of the switching operation. From the presentation 106 (Comparison of the input capacitance Ciss LS when switching on and off at different DC link voltages with I L = 150 A, R G = 180 Ohm and Tj = 25 ° C) leads to the following conclusions:
  • • The determined large signal characteristic Ciss LS (V GSmess ) of the switch-off characteristic is above the characteristic curve of the switch-on characteristic. The stationary endpoints of the large signal input capacitances Ciss LS (V GSmess ) also differ. In section 3.5.4. - Comparison of the reaction capacity on switching on and off - has been documented that these deviations are probably due to measurement errors. A corresponding investigation, which also considers parasitic elements in addition to the offset of the gate current, was subsequently carried out for an operating condition and confirmed this assumption also for the large signal input capacitance. It is in subchapter 4.3. - Examination of the characteristic in one operating point - listed.
  • • Unlike when switched off, oscillations occur when switching on due to the sudden change in the gate-source voltage at the time of the reverse current cutoff or the transition from the current to the voltage commutation. These are already at a gate resistor of R G = 180 Ω heavily dampened. It can be assumed that the Ciss LS characteristic curve can no longer be evaluated for small, application-typical gate resistances due to these vibrations, and the classic Miller plateau due to the superimposed oscillations is not apparent. The characteristic evaluation should therefore be carried out on the slowest possible switching operations or on the Ausschaltverläufen.
  • • The figure shows that the Miller voltage is lower in the case of the switch-off curves than in the switch-on curves. In the previous subchapter, however, the effect of the internal gate resistance was explained. Accordingly, the Miller voltage shifts to the left when switched off and to the right when switched on. It can therefore be expected that the mill voltage will approach each other when switching on and off.
  • • A dependence of the differential reaction capacitance on the switching process is to be expected even with correct characteristic evaluation (consideration of the gate off-set and the parasitic elements).

Aus 107 (Abhängigkeit der Eingangskapazität CissLS von der Schaltgeschwindigkeit bei verschiedenen Zwischenkreisspannungen mit IL = 150 A und Tj = 25°C beim Einschalten) lassen sich folgende Aussagen bezüglich der Abhängigkeit von der Schaltgeschwindigkeit ableiten:

  • • Die Bereiche der Kennlinien vor und nach der Millerspannung sind bei sonst gleichen Bedingungen für verschiedene relativ große Gatevorwiderstände nahezu identisch.
  • • Die gemessene Millerspannung ist für alle dargestellten Betriebsbedingungen gleich.
  • • Mit der Schaltgeschwindigkeit nimmt der maximale Rückwärtsstrom in der Freilaufdiode zu (vgl. Abschnitt 4.4.3.2. – Einstellung der Diodenzeitkonstanten). Dieser Rückwärtsstrom fließt im Brückenzweig und addiert sich zum Drainstrom des MOSFETs. Dadurch kommt der MOSFET bei der Stromkommutierung während des Durchlaufens des Ausgangskennlinienfeldes beim Einschalten auf höhere Gatespannungen als bei geringeren Schaltgeschwindigkeiten (vgl. auch Abschnitt 2.3.2. – dVDS/dt – Rückkopplung durch die Gatekapazität).
  • • Im Rückstromabriss kommt es zu einer sprunghaften Veränderung der Gate-Source-Spannung. Die dadurch entstehenden Schwingungen werden durch größere Gatewiderstände stärker gedämpft.
  • • Eine Abhängigkeit der differentiellen Eingangskapazität ist für den unteren und oberen Bereich der Kennlinie nicht zu erwarten.
Out 107 (Dependence of the input capacitance Ciss LS on the switching speed at different DC link voltages with I L = 150 A and T j = 25 ° C at switch-on), the following statements regarding the dependence on the switching speed can be derived:
  • • The ranges of the characteristic curves before and after the Miller voltage are almost identical under different conditions for different relatively large gate resistors.
  • • The measured Miller voltage is the same for all operating conditions shown.
  • • With the switching speed, the maximum reverse current in the freewheeling diode increases (see Section 4.4.3.2 - Setting the diode time constants). This reverse current flows in the bridge branch and adds to the drain current of the MOSFET. Thus, during current commutation, during current commutation, the MOSFET will experience higher gate voltages at power-up than at lower switching speeds (see also Section 2.3.2 - dV DS / dt - Gate Capacitance Feedback).
  • • In the reverse current break, there is a sudden change in the gate-source voltage. The resulting oscillations are more strongly damped by larger gate resistances.
  • • A dependence of the differential input capacitance is not to be expected for the lower and upper range of the characteristic.

108 (Abhängigkeit der Eingangskapazität CissLS von der Temperatur bei verschiedenen Zwischenkreisspannungen mit IL = 150 A und RG = 180 Ohm) stellt die Temperaturabhängigkeit der Eingangskapazität dar. Folgende Effekte werden ersichtlich:

  • • Die Millerspannung verringert sich bei höheren Temperaturen.
  • • Der Kennlinienbereich vor der Millerspannung ist für alle dargestellten Schaltbedingungen nahezu identisch.
  • • Nach der Millerspannung liegen die Kapazitätswerte bei höheren Temperaturen geringfügig über denen bei niedrigeren Temperaturen, wobei dieser Effekt bei der kleinsten Zwischenkreisspannung am stärksten ausgeprägt ist. Es muss jedoch anhand weiterer Messungen überprüft werden, ob es sich hierbei nicht um statistische Abweichungen handelt.
  • • Eine starke Abhängigkeit der differentiellen Kapazität von der Temperatur in den relevanten Bereichen ist nicht zu erwarten.
108 (Dependence of the input capacitance Ciss LS on the temperature at different DC link voltages with I L = 150 A and R G = 180 Ohms) represents the temperature dependence of the input capacitance. The following effects can be seen:
  • Miller voltage decreases at higher temperatures.
  • • The characteristic range before the Miller voltage is almost identical for all switching conditions shown.
  • • After the Miller voltage, the capacitance values at higher temperatures are slightly higher than those at lower temperatures, this effect being most pronounced at the lowest DC link voltage. However, it must be checked on the basis of further measurements whether these are not statistical deviations.
  • • A strong dependence of the differential capacity on the temperature in the relevant areas is not expected.

109 (Abhängigkeit der Eingangskapazität CissLS von der Laststromstärke bei verschiedenen Zwischenkreisspannungen RG = 180 Ohm und Tj = 25°C) verdeutlicht die Abhängigkeit der Eingangskapazität von der Laststromstärke. Folgende Aussagen können aus ihr abgeleitet werden:

  • • Die Millerspannung verringert sich bei kleineren Stromstärken, da das Ausgangskennlinienfeld während der Spannungskommutierung bei niedrigeren Gatespannungen durchlaufen wird.
  • • Die Kapazitätswerte steigen während der Spannungskommutierung bei kleineren Stromstärken auf wesentlich höhere Werte an als bei größeren.
  • • Inwiefern dies einen Einfluss auf diesen Bereich der differentiellen Eingangskapazität hat, muss in weiterführenden Analysen untersucht werden.
109 (Dependence of the input capacitance Ciss LS on the load current intensity at different DC link voltages R G = 180 ohms and T j = 25 ° C) illustrates the dependence of the input capacitance on the load current intensity. The following statements can be derived from it:
  • • Miller voltage decreases at lower currents because the output characteristics field is swept at lower gate voltages during voltage commutation.
  • • The capacitance values increase to much higher values during the voltage commutation for lower currents than for larger ones.
  • • To what extent this has an influence on this range of differential input capacitance needs to be investigated in further analysis.

Die Abbildungen 106, 107, 108 und 109 stellen alle bisher untersuchten Abhängigkeiten auch bei verschiedenen Zwischenkreisspannungen dar. Zusammenfassend ist festzustellen:

  • • Die Abbildungen lassen die Vermutung zu, dass bei niedrigen Temperaturen eine Abhängigkeit der Millerspannung von der Zwischenkreisspannung besteht. Es ist tendenziell eine Verringerung der Millerspannung bei größeren Zwischenkreisspannungen feststellbar. Allerdings muss diese These durch weitere Messungen bestätigt werden, da es sich durchaus auch um statische Schwankungen handeln könnte.
  • • Im oberen Kennlinienbereich besteht eine offensichtliche Abhängigkeit der Großsignaleingangskapazität von der Zwischenkreisspannung: Je größer die zu kommutierende Spannung ist, desto höher sind die Großsignalkapazitätswerte rechts von der Millerspannung.
  • • Wie stark der Einfluss dieser Abhängigkeit auf den entsprechenden Bereich der differentiellen Eingangskapazität ist, sollte in weiterführenden Analysen untersucht werden.
The pictures 106 . 107 . 108 and 109 All dependencies examined up to now also represent different DC link voltages. In summary:
  • • The figures suggest that at low temperatures there is a dependence of the Miller voltage on the DC link voltage. There is a tendency to detect a reduction in the Miller voltage for larger DC link voltages. However, this thesis must be confirmed by further measurements, as it could well be static fluctuations.
  • • In the upper characteristic range, there is an obvious dependence of the large signal input capacitance on the intermediate circuit voltage: the larger the voltage to be commutated, the higher are the large signal capacitance values to the right of the Miller voltage.
  • • How strong the influence of this dependence is on the corresponding range of the differential input capacitance should be investigated in further analyzes.

Fasst man die aus den erläuterten Abbildungen abgeleiteten Aussagen zusammen, so ist festzustellen, dass eine nicht zu vernachlässigende Abhängigkeit der Eingangskapazitätskennlinie von den gewählten Betriebsbedingungen besteht. Die Frage nach den Ursachen der Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung und inwiefern ein Zusammenhang zwischen der Rückwirkungskapazität und der Eingangskapazität besteht, bleibt zunächst noch offen. Tiefgründigere Untersuchungen – insbesondere wie die ermittelten Kapazitäten in einer Schaltermodellvorstellung miteinander vereint werden können – sind für fortführende Arbeiten jedoch unabdinglich.Holds the statements derived from the illustrations explained together, it should be noted that one not insignificant Dependence of the input capacity curve on the selected operating conditions. The question the causes of the dependence on the intermediate circuit voltage and what is the relationship between the feedback capacity and the input capacity persists, stays first still open. More profound investigations - in particular like the determined capacities in a switch model conception can be united with each other - are for However, continuing work is indispensable.

3.6.3. Parallelen zwischen Eingangskapazität und MOS-Kapazität3.6.3. Parallels between input capacity and MOS capacity

110 stellt den strukturellen Aufbau einer MOSFET-Zelle mit Trench Gate dar. Die Eingangskapazitäten Cissdiff bzw. CissLS werden während des Schaltens zwischen den Anschlüssen Source und Gate unter Anwendung der Gleichungen (3.36), (3.37), (3.38) und (3.39) bestimmt. Auch zwischen diesen Anschlüssen besteht eine Art MOS-Schichtfolge, welche jedoch – aufgrund des Kurzschlusses zwischen Source (n+) und Bulk (p+) und der räumlichen Struktur des Trench Gate MOSFET – nicht der MOS-Kapazitätsstruktur zwischen Gate und Drain entspricht. Vielmehr scheint es sich um eine Parallelschaltung einer MOS-Struktur mit n-Halbleiter CGS_n+ und einer MOS-Struktur mit p-Halbleiter CGS_p+ zu handeln (vgl. 110). 110 illustrates the structural design of a trench gate MOSFET cell. The input capacitances Ciss diff and Ciss LS , respectively, are determined during switching between the source and gate terminals using equations (3.36), (3.37), (3.38), and (3.39) certainly. There is also a type of MOS layer sequence between these terminals, which, however, does not correspond to the MOS capacitance structure between gate and drain due to the short circuit between source (n + ) and bulk (p + ) and the spatial structure of the trench gate MOSFET. Rather, it seems to be a parallel connection of a MOS structure with n-type semiconductor C GS_n + and a MOS structure with p-type semiconductor C GS_p + (cf. 110 ).

Die unterschiedlichen Halbleiter befinden sich jedoch bei einer positiven Spannung zwischen Gate und Source, entsprechend der Darlegungen in Abschnitt 3.5.3. – Parallelen zwischen Rückwirkungskapazität und MOS-Kapazität –, in verschiedenen Zuständen (vgl. 111 (C-V-Kurven einer MOS-Struktur mit n-Halbleiter) und 112 (C-V-Kurven einer MOS-Struktur mit p-Halbleiter)).However, the different semiconductors are at a positive gate to source voltage, as explained in Section 3.5.3. - parallels between reaction capacity and MOS capacitance -, in different states (cf. 111 (CV curves of a MOS structure with n-type semiconductor) and 112 (CV curves of a p-type MOS structure)).

Mit Hilfe der angenommenen Parallelschaltung der beiden MOS-Strukturen lässt sich der typische Verlauf der CissLS-Kennlinie erklären, da sich die Ersatzkapazität aus der Addition der beiden Einzelkapazitäten ergibt. Bei positiven Gate-Source-Spannungen ist die MOS-Kapazität mit dem n-Halbleiter in der Anreicherung und damit nahezu konstant. Für die MOS-Kapazität mit dem p-Halbleiter ergeben sich bei steigender Gatespannung entsprechend der Zustände Verarmung und Inversion. Dabei besteht ab der Schwellenspannung bzw. Inversionsspannung eine Abhängigkeit des Kurvenverlaufs von der Schaltgeschwindigkeit bzw. von der Frequenz. Unterteilt man nun die Eingangskapazitätskennlinie in die folgenden drei Bereiche (vgl. 113 und 114), lässt sich – unter Berücksichtigung des Verhaltens der einzelnen MOS-Kapazitäten – der sich ergebende Kurvenverlauf begründen bzw. nachvollziehen.With the help of the assumed parallel connection of the two MOS structures, the typical course of the Ciss LS characteristic curve can be explained, since the substitute capacity results from the addition of the two individual capacitances. With positive gate-source voltages, the MOS capacitance with the n-type semiconductor is in the enrichment and thus almost constant. For the MOS capacitance with the p-type semiconductor results in increasing gate voltage according to the states depletion and inversion. In this case, from the threshold voltage or inversion voltage, a dependence of the curve on the switching speed or of the frequency. Divide now the input capacity curve in the following three areas (see. 113 and 114 ), the resulting curve can be explained or understood, taking into account the behavior of the individual MOS capacitors.

1. Gate-Source-Spannung zwischen VGS = 0 V und VGS = VGS_millern 1. Gate-source voltage between V GS = 0 V and V GS = V GS_millern

In diesem Bereich fällt die ermittelte Großsignaleingangskapazitätskennlinie mit steigender Gatespannung leicht ab. Dies lässt sich damit begründen, dass es in der MOS-Struktur mit dem p-Halbleiter bei steigender Gatespannung zunächst zu einer Verarmung und dann zu einer Inversion an Majoritätsladungsträgern kommt. Da die Kapazität der MOS-Struktur mit dem n-Halbleiter im Anreicherungszustand nahezu konstant ist, ergibt sich in der Summe ein leicht fallender Kurvenverlauf. (Der Gate-Source-Spannungsanstieg ist in diesem Bereich während des Schaltens am größten, so dass davon ausgegangen werden kann, dass der Kennlinienverlauf in der Nähe der Hochfrequenzkennlinie liegt.)In This area falls the determined large signal input capacitance characteristic Slight decrease with increasing gate voltage. This is possible reasoning that it is in the MOS structure with the p-type semiconductor with increasing gate voltage first to a depletion and then an inversion of majority carriers occurs. As the capacity of the MOS structure with the n-type semiconductor is almost constant in the enrichment state, results in the Sum a slightly falling curve. (The gate-source voltage rise is the largest in this area during switching, so that it can be assumed that the characteristic curve near the high-frequency characteristic.)

2. Gate-Source-Spannung VGS = VGS_millern 2. Gate-source voltage V GS = V GS_millern

Während des Millerns steigt die Kapazität stark an. Dies kann wie folgt erklärt werden: Da sich die Gate-Source-Spannung in diesem Bereich nicht ändert, nähern sich die Kapazitäts werte der MOS-Struktur mit dem p-Halbleiter der Niederfrequenzkennlinie an. Da die Kapazität der MOS-Struktur mit dem n-Halbleiter im Anreicherungszustand konstant ist, ergeben sich in diesem Bereich stark ansteigende Kapazitätswerte. Diese Argumentation liefert auch eine Erklärung für die im vorherigen Abschnitt dokumentierte Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung in diesem Bereich: Je länger die Spannungskommutierung bzw. das Millern dauert, umso stärker nähern sich die Kapazitätswerte der Niederfrequenzkennlinie an. Zur Verdeutlichung dieses Sachverhalts stellen die Abbildungen 113 und 114 zwei Schaltverläufe mit verschiedenen Zwischenkreisspannungen einander gegenüber. Es wird deutlich, dass bei höheren Zwischenkreisspannungen die Spannuungskommutierung länger dauert und damit die Gatespannung länger konstant bleibt.During Millennium the capacity increases strongly. This can be explained as follows: Since the gate-source voltage does not change in this range, the capacitance values of the MOS structure with the p-type semiconductor approach the low-frequency characteristic. Since the capacitance of the MOS structure with the n-type semiconductor is constant in the enrichment state, greatly increasing capacitance values result in this region. This argument also provides an explanation for the dependency on the intermediate circuit voltage in this range, as documented in the previous section: the longer the voltage commutation or the Miller lasts, the closer the capacitance values of the low-frequency characteristic to each other. To clarify this issue, the illustrations 113 and 114 two switching curves with different DC link voltages opposite each other. It becomes clear that at higher DC link voltages the Voltage commutation takes longer and thus the gate voltage remains constant for a longer time.

3. Gate-Source-Spannung zwischen VGS = VGS_millern und VGS = VDr(on) 3. Gate-source voltage between V GS = V GS_millern and V GS = V Dr (on)

In diesem Bereich fällt die ermittelte Großsignaleingangskapazitätskennlinie mit steigender Gatespannung wieder leicht ab. Diese Verringerung ergibt sich wahrscheinlich durch die Änderung der Gate-Source-Spannung, die einer Kapazitätskennlinie unterhalb der Niederfrequenzkennlinie entspricht.In This area falls the determined large signal input capacitance characteristic slightly decreasing with increasing gate voltage. This reduction is likely due to the change in the gate-source voltage, that of a capacitance characteristic below the low-frequency characteristic equivalent.

Die Großsignaleingangskapazitätskennlinie ist gewiss neben vielen anderen Faktoren auch abhängig von der Größe der Kontaktflächen von p+ und n+ mit der Oxidschicht, weiterhin davon, wie sich die Ladungsträger als Gegenladung zur Gateladung auf die einzelnen Halbleiterschichten aufteilen, und schließlich von der mittleren Weglänge zwischen den Anschlüssen Gate und Source durch den p- und n-Halbleiter. Diese Einflüsse können jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht untersucht werden. Völlig unberücksichtigt bleibt in der Argumentation auch der Einfluss der Bewegung von Ladungsträger in diesen beiden Halbleiterschichten.The large signal input capacitance characteristic is certainly also dependent on the size of the contact surfaces of p + and n + with the oxide layer, furthermore on how the charge carriers are distributed as counter charge to the gate charge on the individual semiconductor layers, and finally on the mean path length between the two Connections gate and source through the p- and n-type semiconductor. However, these influences can not be investigated in this work. Completely disregarded in the argumentation is also the influence of the motion of charge carriers in these two semiconductor layers.

3.7. Ausgangskapazität Coss3.7. Output capacity Coss

Unter der Ausgangskapazität versteht diese Arbeit die kapazitive Wirkung zwischen dem Drain- und dem Sourceanschluss. Im Vergleich zu der Rückwirkungs- und Eingangskapazität ist ihre Bestimmung komplizierter. So muss beim Ausschalten der Strom, der an dem Kanal vorbei vom Drain- zum Sourceanschluss fließt, quantifiziert werden. Beim Einschalten dagegen wäre es notwendig, den Strom zu ermitteln, der zusätzlich zum Drainstrom durch den Kanal fließt. Das ist jedoch noch aufwendiger als die Stromermittlung beim Ausschalten, da beim Einschalten, aufgrund des Reverse-Recovery-Verhaltens der Freilaufdiode, weitere Stromanteile hinzukommen. Die Messung des Stromes ist mit dem gegebenen Messaufbau weder beim Ein- noch beim Ausschalten möglich. Allerdings ist es beispielsweise für hartschaltende Applikationen von Bedeutung, die belastende bzw. entlastende Wirkung auf den Kanalstrom beim Ein- bzw. Ausschalten quantifizieren zu können.Under the output capacity, this work understands the capacitive Effect between the drain and the source. Compared to the feedback and input capacitance their purpose more complicated. So when turning off the electricity, which flows past the channel from the drain to the source, be quantified. When switching it on it would be necessary to determine the current in addition to the drain current flowing through the channel. This is even more complicated as the current detection when switching off, because when switching on, due the reverse recovery behavior of the freewheeling diode, further current components added. The measurement of the current is with the given measurement setup not possible when switching on or off. Indeed For example, it is for hard-switching applications Of importance, the burdening or relieving effect on the channel current quantify when switching on or off.

Bestandteil der Ausgangskapazität ist in jedem Fall die Drain-Source-Kapazität. Parallel dazu ist eine Entlastung beim Ausschalten bzw. eine Belastung beim Einschalten über die Drain-Gate-Kapazität und den Gateansteuerkreis denkbar. Das ähnelt auch der Definition der Kleinsignalkurzschlussausgangskapazität (vgl. Abschnitt 3.3. – Datenblattangaben zu Schalterkapazitäten – Gleichung (3.16)). Beim Studium der einschlägigen Literatur fällt auf, dass die Drain-Source-Kapazität bei der Modellierung von MOSFETs häufig unberücksichtigt bleibt, mit der Begründung, dass sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Schaltverläufe habe [3]. Das wäre dann richtig, wenn die Drain-Source-Kapazität CDs wesentlich kleiner wäre als die Drain-Gate-Kapazität oder man ihre Wirkung auch mit der Drain-Gate-Kapazität modellieren bzw. erklären könnte. Unter dieser Annahme würde sich die Bestimmung der Ausgangskapazität erübrigen. Da entsprechende Untersuchungen zur Bestätigung dieser Vermutung jedoch noch ausstehen, soll in diesem Kapitel prinzipiell vorgestellt werden, wie die Ausgangskapazität mit den gegebenen Mitteln aus Ausschaltvorgängen abgeschätzt werden kann, ohne diese Abschätzung konkret am Beispiel einiger Schaltverläufe durchzuführen. Das bleibt nachfolgenden Arbeiten vorbehalten, falls sich ein Bedarf – beispielsweise zur genauen Ermittlung der Interelektrodenkapazitäten – an dieser Kennlinie ergeben sollte, der den enormen Arbeitsaufwand rechtfertigen würde. Es bleibt dann jedoch zu prüfen, inwiefern eine Auswertung überhaupt möglich ist bzw. ob die sich daraus ergebenden Kapazitätswerte nicht so klein sind, dass sie im Messrauschen verloren gehen.component the output capacitance is in any case the drain-source capacitance. Parallel to this is a discharge when switching off or a load when turning on the drain-gate capacitance and the gate drive circuit conceivable. This is similar to the Definition of the small signal short-circuit output capacitance (see Section 3.3 - Datasheet details on switch capacities - Equation (3.16)). When studying the relevant literature falls on that the drain-source capacity in the modeling MOSFETs are often disregarded with the reasoning that they have no significant influence the switching curves have [3]. That would be correct if the drain-source capacity CDs much smaller would be called the drain-gate capacitance or one of theirs Effect also with the drain-gate capacitance model or could explain. Under this assumption would the determination of the output capacity is unnecessary. As appropriate investigations confirm this Assumption, however, still pending, in this chapter in principle as the initial capacity with given Estimated means of turn-off can, without this estimate concrete example of some Perform switching curves. That stays behind Working reserved, if there is a need - for example for accurate determination of interelectrode capacitances - This characteristic should give the enormous amount of work would justify. It then remains to be considered to what extent an evaluation is possible at all or whether the resulting capacity values are not are so small that they are lost in measurement noise.

Voraussetzung für die Ermittlung der Ausgangskapazität ist ein möglichst genau gemessenes Ausgangskennlinienfeld mit möglichst kleinen Schritten in der Gatespannung. Aus diesem kann dann eine Schar von Transferkennlinien IDn = f(VGS, VDS = VDSn) gewonnen werden, wobei die Drain-Source-Spannungen der Transferkennlinien sinnvolle Abstände aufweisen sollten, beispielsweise 0,5 V. Die Transferkennlinien für verschiedene Drain-Source-Spannungen können natürlich auch direkt gemessen werden. Transferkennlinien sind statische Kennlinien. Das heißt, dass zwar die Spannungsabfälle über den internen Induktivitäten und Anschlussinduktivitäten Null sind, nicht aber über den internen Widerständen und Anschlusswiderständen. Deshalb müssen die aus dynamischen Messungen stammenden Spannungen VDSmess und VGSmess nur bezüglich der Induktivitäten bereinigt werden. So ergibt sich für jeden Zeitpunkt des Schaltverlaufs ein Datentripel aus dem Drainstrom ID(t) und den korrigierten Messspannungen VDSmess'(t) und VGSmess'(t). Nimmt man nun die Zeitpunkte ti aus der Messreihe, in denen VDSmess' den Spannungen VDS der Transferkennlinien entspricht, kann man den gemessenen Drainstrom ID(t) mit dem Kanalstrom IDchannel vergleichen. Der Strom durch die Ausgangskapazität ID_Coss(t) ergibt sich dann zu IDCoss(t) =IDmess(t) – IDchannel(VGSmess'(t); VDSmess'(t)). (3.41) The prerequisite for the determination of the output capacitance is an output characteristic curve field measured as accurately as possible with as small steps as possible in the gate voltage. From this a set of transfer characteristics I Dn = f (V GS , V DS = V DSn) can be obtained, wherein the drain-source voltages of the transfer characteristics should have reasonable distances, for example 0.5 V. The transfer characteristics for different drain Of course, source voltages can also be measured directly. Transfer characteristics are static characteristics. This means that although the voltage drops across the internal inductances and connection inductances are zero, but not over the internal resistances and connection resistances. Therefore, the voltages V DSmess and V GSmeas originated from dynamic measurements need only be corrected for the inductances. Thus, a data triplet results from the drain current I D (t) and the corrected measurement voltages V DSmess ' (t) and V GSmess' (t) for each instant of the switching process. If one now takes the times t i from the measurement series in which V DSmess' corresponds to the voltages V DS of the transfer characteristics, one can compare the measured drain current I D (t) with the channel current I Dchannel . The current through the output capacitance I D_Coss (t) then results in I DCoss (t) = I dmeas (t) - I D- CHANNEL (V GSmess' (T); V DSmess' (T)). (3:41)

Durch lineare Approximation zwischen den so ermittelten Strompunkten kann die Punktdichte wieder auf die Messwertdichte erhöht werden, und die Ausgangskapazität ergibt sich entsprechend der Gleichungen (3.3) und (3.9) aus

Figure 00550001
By linear approximation between the thus determined current points, the point density can be increased again to the measured value density, and the output capacitance results according to the equations (3.3) and (3.9)
Figure 00550001

Zur Abschätzung der Ladung Qo(t) in der Ausgangskapazität muss zuerst die Ladungsänderung zwischen zwei Messpunkten abgeschätzt werden. Die Ladungsinkremente werden dazu wie folgt kalkuliert:

Figure 00550002
To estimate the charge Q o (t) in the output capacitance, the charge change between two measurement points must first be estimated. The charge increments are calculated as follows:
Figure 00550002

Die insgesamt bis zum Zeitpunkt tn in die Ausgangskapazität geflossene Ladung Qo ergibt sich dann durch numerische Integration aus der Summenfunktion

Figure 00550003
The charge Q o which has flowed into the output capacitance up to the instant t n is then obtained by numerical integration from the summation function
Figure 00550003

Wie bei der Rückwirkungs- und Eingangskapazität müsste man nun unter der Bedingung, dass zum Zeitpunkt tv gilt VDS(tv) = 0 V ↔ Qo(tv) = 0 C, (3.46)die Ladung Qo in der Ausgangskapazität zum Zeitpunkt tn mit Qo(tn) = Qotot(tn) – Qotot(tv) (3.47)bestimmen können. Dem ist jedoch nicht so, weil der Zeitpunkt tv im dynamischen Schaltvorgang nicht existiert, da es keinen idealen Schalter gibt: Im eingeschalteten Zustand ergibt sich die Drain-Source-Spannung aus dem Spannungsabfall über dem Einschaltwiderstand: VDS(on) = ID·rds(on) (3.48) As with the feedback and input capacitance, one would now have to assume that at time t v V DS (t v ) = 0 V ↔ Q O (t v ) = 0 C, (3.46) the charge Q o in the output capacitance at time t n with Q O (t n ) = Q otot (t n ) - Q otot (t v ) (3.47) can determine. However, this is not the case because the time t v does not exist in the dynamic switching process, since there is no ideal switch: When switched on, the drain-source voltage results from the voltage drop across the on-resistance: V DS (on) = I D · r ds (on) (3:48)

Um dennoch die Ausgangskapazität bestimmen zu können, muss eine vereinfachende Annahme gemacht werden: So könnte man im stationär eingeschalteten Zustand davon ausgehen, dass die Ausgangskapazität durch den Einschaltwiderstand rds(on) vollständig entladen worden ist. Dem steht jedoch die Aussage gegenüber, dass die Drain-Gate-Kapazität Bestandteil der Ausgangskapazität ist, denn über dieser fällt im eingeschalteten Zustand die Treiberspannung VDr(on) abzüglich der Durchlassspannung VDS(on) ab. Die Ladung in ihr muss demnach von Null verschieden sein. Deshalb kann, unter Beachtung des bisherigen Wissensstandes, lediglich die differentielle Ausgangskapazität nach Gleichung (3.42) bestimmt werden, da für diese der absolute Ladungswert Qo keine Rolle spielt.In order to be able to determine the output capacitance nevertheless, a simplifying assumption must be made: For example, in the steady state, one could assume that the output capacitance has been completely discharged by the on-resistance r ds (on) . However, this is countered by the statement that the drain-gate capacitance is a component of the output capacitance, because above it, in the switched-on state, the driver voltage V Dr (on) decreases, minus the forward voltage V DS (on) . The charge in it must therefore be different from zero. Therefore, considering the current state of knowledge, only the differential output capacitance can be determined according to equation (3.42), since the absolute charge value Q o does not play a role for them.

Abschließend zu dieser Problematik soll noch einmal darauf hingewiesen werden, dass durch eine Kapazität nur dann Strom fließt, wenn sich die Spannung über ihr ändert. Dies ist eigentlich nur während der Spannungskommutierung der Fall. Die Kommutierungsinduktivitäten verursachen jedoch während der Stromkommutierung durch die Spannungsabfälle über sich selbst eine Veränderung der Chipspannung. Das bedeutet, der Strom muss durch die Ausgangskapazität für den gesamten Schaltverlauf nach Gleichung (3.42) ermittelt werden.Finally to this problem should be pointed out again that only a current flows through a capacitor, when the voltage changes over her. This is actually only during the voltage commutation of the case. However, the commutation inductances cause during the current commutation by the voltage drops across itself a change in the chip voltage. That means, the current must be through the output capacitance for the entire switching process according to equation (3.42) can be determined.

3.8. Modellvorstellung der Schalterkapazitäten für die Simulation3.8. Model presentation of the switch capacities for the simulation

In den Unterkapiteln 3.5., 3.6. und 3.7. wurde das Verständnis der vorliegenden Arbeit von einer Rückwirkungs-, Eingangs- lind Ausgangskapazität eines Schalters erläutert. Diese Kapazitätsdefinitionen verdeutlichen, dass die genannten Schalterkapazitäten weder den Interelektrodenkapazitäten CDG, CGS und CDS (vgl. 115) noch den Ersatzkapazitäten einfacher Interelektrodenkapazitätsparallelschaltungen der adäquaten Ersatzschaltbildern zu den Datenblattmessungen (vgl. Abschnitt 3.3. – Datenblattangaben zu Schalterkapazitäten) entsprechen.In subchapters 3.5., 3.6. and 3.7. The understanding of the present work was explained by a feedback, input-output capacitance of a switch. These capacity definitions make clear that the said switch capacitors neither the Interelektrodenkapazitäten C DG , C GS and C DS (see. 115 ) nor the replacement capacities of simple interelectrode capacitance parallel circuits of the equivalent equivalent circuit diagrams to the data sheet measurements (see Section 3.3. - Data Sheet Information on Switch Capacities).

Vielmehr scheinen diese definierten Kapazitäten alle Kapazitäten des untersuchten Schalters und der Schalterumgebung zu enthalten . Deshalb ist es nicht möglich sowohl die Rückwirkungs- als auch die Eingangskapazitätskennlinie in das Schaltermodell zu integrieren. Die Kapazitäten, insbesondere die Drain-Gate- und die Gate-Source-Kapazität, würden dann doppelt berücksichtigt werden. In diesem Unterkapitel wird nun ein einfaches Modell vorgestellt, wie die ermittelten Kennlinien in zustandsgesteuerte Schaltermodelle integriert werden können. Die Simulationsergebnisse des Modells werden dann in Kapitel 4 – Verifikation der Kapazitätskennlinien durch Simulation – präsentiert.Rather, these defined capacities appear to contain all the capabilities of the switch under consideration and the switch environment , Therefore, it is not possible to integrate both the feedback and the input capacitance characteristic in the switch model. The capacitances, in particular the drain-gate and the gate-source capacitance, would then be considered twice. In this subchapter, a simple model is presented, how the determined characteristic curves can be integrated into state-controlled switch models. The simulation results of the model are then presented in Chapter 4 - Verification of Capacitance Characteristics by Simulation.

Im Unterkapitel 3.7. – Ausgangskapazität Coss – wurde bereits angedeutet, dass die Wirkung der Ausgangskapazität auch über die Rückwirkungskapazität simuliert werden kann. Deshalb wurde auf die Bestimmung einer entsprechenden Kennlinie verzichtet. Auch das Schaltermodell ET3g modelliert die Ausgangskapazität nicht. Allerdings sollen in der Simulation sowohl die Gatekapazität CGS als auch die Millerkapazität CDG so parametriert werden, dass die Simulation der Schaltvorgänge möglichst genau ist. Die beiden Interelektrodenkapazitäten sind nicht konstant, sondern ändern sich in Abhängigkeit von den an den Kapazitäten anliegenden Spannungen, da die Kapazitäten teilweise durch spannungsabhängige Verarmungszonen gebildet werden. Die stärkste Änderung der Kapazität während des Schaltens geschieht in CDG, da die Spannungsänderung über ihr größer ist als über CGS. Zur Abschätzung von Schaltverläufen wird deshalb die Gatekapazität häufig als konstant angenommen, während für die Millerkapazität vereinfachend zwei diskrete Werte kalkuliert werden, die bei VGS = VDS wechseln. [3]In subchapter 3.7. - Output capacitance Coss - has already been suggested that the effect of the output capacitance can also be simulated via the feedback capacity. Therefore, the determination of a corresponding characteristic was omitted. Also the switch model ET3g does not model the output capacitance. However, both the gate capacitance C GS and the miller capacitance C DG should be parameterized in the simulation so that the simulation of the switching operations is as accurate as possible. The two Interelektrodenkapazitäten are not constant, but change depending on the voltages applied to the capacitors, since the capacitances are partially formed by voltage-dependent depletion zones. The largest change in capacitance during switching occurs in C DG , since the voltage change across it is greater than over C GS . For estimating switching characteristics, therefore, the gate capacitance is often assumed to be constant, whereas for the Miller capacitance two discrete values are simplified, which change at V GS = V DS . [3]

In dieser Arbeit soll die Modellierung der Schalterkapazitäten auf dieser simplen Modellvorstellung aufbauen. Das Ersatzschaltbild in 115 lässt sich in bestimmten Abschnitten des Schaltvorganges vereinfachen: Da die transiente Analyse die allgemeinste Analysenart ist, könnte man annehmen, dass sie auch die Elemente der anderen Analysearten – sofern die gleichen Voraussetzungen gegeben sind – umfasst. Vereinfachend wird deshalb eine Kapazität wie bei der Gleichstromanalyse als Unterbrechung angesehen, wenn die Spannung über ihr konstant ist, weil dann auch kein Strom in diese Kapazität fließen kann. So ergeben sich beim Schalten beispielsweise während der Strom- und Spannungskommutierung bestimmte Vereinfachungen, die bei der simulativen Umsetzung der Schalterkapazitäten bewusst ausgenutzt werden können (vgl. 116 – Modell eines MOSFETs in den stationären Zuständen a) on und b) off bzw. während der c) Stromkommutierung und d) Spannungskommutierung). Um zu veranschaulichen, welche Kapazitätswerte während der Kommutierung wirken, wurden in 117 in einem idealisierten Kapazitätskennlinienverlauf diese Bereiche gekennzeichnet.In this work, the modeling of the switch capacities is based on this simple model concept. The equivalent circuit diagram in 115 can be simplified in certain stages of the switching process: since transient analysis is the most general type of analysis, one could assume that it also includes the elements of the other types of analysis, provided that the same conditions are met. For simplicity, therefore, a capacitance as in DC analysis is considered to be an interrupt when the voltage across it is constant, because then no current can flow into that capacitance. Thus, when switching, for example during current and voltage commutation, certain simplifications arise which can be consciously utilized in the simulative implementation of the switch capacities (cf. 116 Model of a MOSFET in the stationary states a) on and b) off or during the c) current commutation and d) voltage commutation). To illustrate which capacitance values act during commutation, in 117 characterized in an idealized capacity curve, these areas.

Aus Sicht der Simulation ist es besonders wichtig, dass der Drainstrom- und der Drain-Source-Spannungsverlauf richtig simuliert werden, um beispielsweise die Schaltverluste abschätzen zu können. Deshalb sollten die Kapazitäten für die Strom- und Spannungskommutierung richtig modelliert sein. Die anderen Phasen spielen während des Schaltvorgangs eine weniger wichtige Rolle. Im eingeschalteten Zustand wirkt lediglich der Einschaltwiderstand rds(on). Während der Stromkommutierung bzw. so lange ein Strom durch den Kanal fließt, kann davon ausgegangen werden, dass eine Parallelschaltung der beiden Kapazitäten CGS und CDs aus Sicht des Ansteuerkreises vorliegt (vgl. 118 – Ersatzschaltung während der Stromkommutierung). Analysiert man die Schaltung dagegen zwischen dem Drain- und dem Gateanschluss, so kann man nicht von einer Parallelschaltung sprechen, da es keinen Stromweg vom Gate- über die Gatekapazität zum Drainanschluss gibt. Deshalb sind die Kapazitäten in diesem Spannungsbereich auch verschieden voneinander (vgl. 119). Während der Spannungskommutierung wirkt lediglich die Drain-Gate-Kapazität, so dass die während der Spannungskommutierung ermittelte Rückwirkungskapazität der Drain-Gate-Kapazität entspricht. Im ausgeschalteten Zustand fließt aufgrund des großen Ausschaltwiderstands rds(off) ein sehr kleiner Sperrstrom durch den Schalter. Dieser ist normalerweise vernachlässigbar.From the point of view of the simulation, it is particularly important that the drain current and the drain source voltage waveform are simulated correctly in order, for example, to be able to estimate the switching losses. Therefore, the capacities for the current and voltage commutation should be properly modeled. The other phases play a less important role during the switching process. When switched on, only the on-resistance r ds (on) is effective. During the current commutation or as long as a current flows through the channel, it can be assumed that there is a parallel connection of the two capacitances C GS and CDs from the point of view of the drive circuit (cf. 118 - replacement circuit during current commutation). On the other hand, if one analyzes the circuit between the drain and the gate, one can not speak of a parallel connection since there is no current path from the gate via the gate capacitance to the drain connection. Therefore, the capacities in this voltage range are also different from each other (cf. 119 ). During voltage commutation, only the drain-gate capacitance acts, so that the feedback capacitance determined during the voltage commutation corresponds to the drain-gate capacitance. When switched off, due to the large switch-off resistance r ds (off), a very small reverse current flows through the switch. This is usually negligible.

119 (Möglicher Zusammenhang zwischen der Eingangs- und der Rückwirkungsgroßsignalkapazität? (IL = 150 A; RG = 180 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V)) ist Grundlage für weitere Erwägungen. Sie stellt die Eingangskapazität CissLS(VGSmess) in gewohnter Form dar, aber die aus Messdaten bestimmte Rückwirkungskapazität CrssLS wird nicht wie sonst über der Drain-Gate-Spannung, sondern über der Messspannung VGS dargestellt. Die dritte Kennlinie stellt eine Parallelverschiebung der Rückwirkungskapazitätskennlinie um Cconst dar. Das Ergebnis ist durchaus überraschend und stellt eine Legitimation dafür da, dass eine konstante Gatekapazität CGS = Cconst im Verhaltensmodell angesetzt und sämtliche Nichtlinearitäten in die Millerkapazität gesteckt werden können. 119 (Possible relationship between input and feedback large-signal capacitance (I L = 150 A, R G = 180Ω , T j = 25 ° C, and V DClink = 30V )) is the basis for further consideration. It represents the input capacitance Ciss LS (V GSmess ) in its usual form, but the feedback capacitance Crss LS determined from measured data is not represented as usual above the drain-gate voltage but above the measuring voltage V GS . The third characteristic represents a parallel shift of the feedback capacitance characteristic around C const . The result is quite surprising and constitutes a legitimation for the fact that a constant gate capacitance C GS = C const can be set in the behavioral model and all nonlinearities can be inserted in the Miller capacitance.

Auf diese Weise würden während der Stromkommutierung, vom Gatekreis aus betrachtet, und während der Spannungskommutierung zwischen dem Drain- und dem Gateanschluss die richtigen Kapazitätswerte wirken. Damit wirkt in dieser Zeitspanne die richtige Kapazität fair die dV/dt-Kopplung, so dass die Spannungstransienten relativ exakt simuliert werden können. Dies beeinflusst auch die Simulationsgenauigkeit der Schaltverluste.On this way would be during current commutation, from the gate circuit, and during the voltage commutation the right capacitance values between the drain and gate Act. Thus, the correct capacity acts in this period fair the dV / dt coupling so that the voltage transients are relative can be simulated exactly. This also affects the Simulation accuracy of the switching losses.

119 macht zwar auch deutlich, dass außerhalb der Stromkommutierung fehlerhafte Kapazitätswerte im Gatekreis wirken, bevor jedoch diesbezüglich weitere Aussagen gemacht werden können, müssen zunächst einige Schaltverläufe simuliert und beurteilt werden. Es ist jedoch trotzdem zu erwarten, dass die Simulationsergebnisse wesentlich genauer sind als die sich ergebenden Schaltverläufe mit der von [3] erläuterten Approximation. 119 Although it also makes it clear that faulty capacitance values outside the current commutation act in the gate circuit However, before further statements can be made in this regard, some switching characteristics must first be simulated and assessed. However, it is still to be expected that the simulation results are much more accurate than the resulting switching curves with the approximation explained by [3].

4. Verifikation der Kapazitätskennlinien4. Verification of the capacity characteristics

4.1. Schaltermodell mit spannungsabhängiger Drain-Source-Kapazität4.1. Switch model with voltage-dependent Drain-source capacitance

Die Simulation ist eine Möglichkeit die ermittelten Kapazitätskennlinien auf ihre Richtigkeit zu überprüfen. Der benutzte Niedervolt Trench Gate MOSFET-Brückenzweig muss also durch ein geeignetes Schaltermodell nachgebildet werden. Dazu wird in den folgenden Abschnitten das zur Anwendung gekommene Schaltermodell Et3g für Niedervolt MOSFETs erläutert und dokumentiert.The Simulation is one possibility the determined capacity characteristics to check their accuracy. The used one Low-voltage trench gate MOSFET bridge branch must therefore by a suitable switch model can be modeled. This will be done in the following sections the switch model used Et3g for low-voltage MOSFETs explained and documented.

4.1.1. Eingangs- und Ausgangsgrößen des Schaltermodells4.1.1. Input and output variables of the switch model

Das Schaltermodell erhält als Eingangsgrößen

  • • das Ansteuersignal X und
  • • die über dem Schaltermodell abfallende Knotenspannung vk.
The switch model receives as input variables
  • • the drive signal X and
  • • the node voltage v k falling over the switch model.

Ausgangsgrößen des Schaltermodells sind

  • • der Schalterstrom is,
  • • der Kanal- bzw. Transistorstrom it,
  • • der Diodenstrom id,
  • • der Gatestrom irg,
  • • die Schalterspannung us,
  • • die Gatespannung ugs,
  • • die Spannung vrls über der Schalterinduktivität Ls und dem Schalterwiderstand Rs,
  • • die Millerkapazität Crss und
  • • die Zustände des Schaltermodells str.
Output variables of the switch model are
  • The switch current i s ,
  • The channel or transistor current i t ,
  • The diode current i d ,
  • The gate current i rg ,
  • The switch voltage u s ,
  • The gate voltage u gs ,
  • The voltage v rls across the switch inductance L s and the switch resistance R s ,
  • • the Miller capacity Crss and
  • • the states of the switch model str.

Dem aufmerksamen Leser wird auffallen, dass für die zeitlich veränderlichen Spannungen sowohl das Symbol „u" als auch „v" verwendet wird. Diese beiden Bezeichnungen ermöglichen dem Anwender eine Unterscheidung zwischen simulierter Schalterspannung (u) und simulierter Messspannung (v). Während „u" also reine Chipspannungen kennzeichnet, bezeichnet „v" Spannungen, die Schalterinduktivitäten und -widerständen beinhalten (vgl. 120).The attentive reader will notice that the "u" and "v" symbols are used for the time-varying voltages. These two terms allow the user to distinguish between simulated switch voltage (u) and simulated measurement voltage (v). Thus, while "u" denotes pure chip voltages, "v" denotes voltages including switch inductances and resistances (see FIG. 120 ).

4.1.2. Zustände und Umschaltbedingungen des Schaltermodells4.1.2. States and switching conditions of the switch model

Das Simulationsmodell ist als State Maschine mit den folgenden Zuständen organisiert:

  • Zustand 0: Aus
  • Zustand 1: MOSFET ein, Diode aus
  • Zustand 2: MOSFET aus, Diode ein
  • Zustand 3: Synchronbetrieb
  • Zustand 4: Reverse Recovery der Diode
  • Zustand 5: Reverse Recovery der Diode und MOSFET ein
The simulation model is organized as a state machine with the following states:
  • State 0: Off
  • State 1: MOSFET on, diode off
  • State 2: MOSFET off, diode on
  • State 3: Synchronous operation
  • Condition 4: reverse recovery of the diode
  • Condition 5: reverse recovery of the diode and MOSFET on

121 zeigt dazu das Petrinetz des Schaltermodells mit den entsprechenden Übergangsbedingungen. Der Zustand 3 wird hier zwar der Vollständigkeit halber erwähnt, aber nicht weiter dokumentiert. Der Synchronbetrieb ist ein überarbeitungsbedürftiges Rudiment früherer Schaltermodellgenerationen. Im vorliegenden Modell funktioniert der Synchronbetrieb nicht und müsste beider Weiterentwicklung des Schaltermodells an die vorliegende Modellversion angepasst werden. Der Anwender kann das Modell deshalb nicht im Synchronbetrieb betreiben. 121 shows the Petri net of the switch model with the corresponding transition conditions. Although state 3 is mentioned here for the sake of completeness, it is not further documented. Synchronous operation is a reworking rudiment of earlier switch model generations. In the present model, the synchronous operation does not work and would have to both development of the switch model adapted to the present model version. The user can therefore not operate the model in synchronous mode.

In den einzelnen Strukturzuständen werden die folgenden Größen entsprechend der Besonderheiten dieser Zustände berechnet:

  • • die Schalterspannung us,
  • • der Schalterstrom is,
  • • der Diodenstrom id,
  • • der Transistorstrom it,
  • • die Spannung über der Schalterinduktivität vls und
  • • die Spannung über der Schalterinduktivität und dem Schalterwiderstand vrls,
In the individual structure states, the following variables are calculated according to the special features of these states:
  • The switch voltage u s ,
  • The switch current i s ,
  • The diode current i d ,
  • The transistor current i t ,
  • • the voltage across the switch inductance v ls and
  • The voltage across the switch inductance and the switch resistance v rls ,

Auf eine ausführliche Darstellung der verschiedenen Berechungen dieser Größen in den einzelnen Zuständen wird an dieser Stelle verzichtet. Im Zustand 1 und 5 wird das Ausgangskennlinienfeld und im Zustand 2 die Diodenkennlinie durchlaufen. Die Nachbildung der internen Inversdiode kann jedoch nur als trivial bezeichnet werden. Während die Diode mit der statischen Diodenkennlinie im eingeschalteten Zustand mit einer ausreichenden Genauigkeit nachgebildet wird, bleibt das typische Einschaltverhalten der Diode unberücksichtigt. Beim Übergang der Diode in den leitenden Zustand steigt die Spannung zunächst auf die Einschaltspannungsspitze VFRM an, bevor sie auf die Durchlassspannung VF absinkt (vgl. 122 [1]). Das vorliegende Modell rechnet hier vereinfacht nur den Durchlauf der Diodenkennlinie. Das charakteristische Ausschaltverhalten (vgl. 123 [1]) wird zwar durch Vorgabe von Endwerten in den Zuständen 4 und 5 sowie mit Hilfe der Zeitkonstanten Td und Trr nachgebildet, jedoch sind diese Zeitkonstanten des Schaltermodells physikalisch noch nicht begründbar und müssen durch einen aufwendigen Vergleich von Simulation und Messung für jeden einzelnen Arbeitspunkt sinnvoll eingestellt werden.A detailed description of the various calculations of these quantities in the individual states is omitted here. In states 1 and 5, the output characteristic field and in state 2 the diode characteristic is traversed. However, the simulation of the internal inverse diode can only be described as trivial. While the diode is simulated with the static diode characteristic in the on state with sufficient accuracy, the typical switch-on behavior of the diode is disregarded. During the transition of the diode into the conducting state, the voltage initially rises to the switch-on voltage peak V FRM before it drops to the forward voltage V F (cf. 122 [1]). The present model simply calculates the passage of the diode characteristic. The characteristic switch-off behavior (cf. 123 [1]) is simulated by specifying end values in states 4 and 5 as well as with the aid of the time constants Td and Trr, but these time constants of the switch model can not yet be substantiated physically and must be determined by a complex comparison of simulation and measurement for each individual operating point be made sense.

4.1.2. Ausgangskennlinienfeld (AKF) des Schaltermodells4.1.2. Output characteristic field (AKF) of the switch model

Grundlage der Modellierung des Ausgangskennlinienfeldes ist die Transferkennlinie (Übertragungsfunktion) des Transistors. Sowohl die Transferkennlinie als auch die Ausgangskennlinien sind statische Kennlinien. Bei vernachlässigbar kleinen internen Widerständen und Anschlusswiderständen entsprechen demzufolge die internen Chipspannungen ungefähr den Messspannungen: νDS ≈ uDS und νGS ≈ uGS The basis of the modeling of the output characteristic field is the transfer characteristic (transfer function) of the transistor. Both the transfer characteristic and the output characteristics are static characteristics. With negligible internal resistances and connection resistances, the internal chip voltages correspond approximately to the measuring voltages: ν DS ≈ u DS and ν GS ≈ u GS

4.1.3.1. Modellierung der Transferkennlinie4.1.3.1. Modeling the transfer characteristic

Die Transferkennlinie beschreibt das Verhalten des Drainstromes ID in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung VGS bei fester Drain-Source-Spannung VDS: ID = f(VGS, VDS = const.). (4.1) The transfer characteristic describes the behavior of the drain current I D as a function of the gate-source voltage V GS at a fixed drain-source voltage V DS : I D = f (v GS , V DS = const.). (4.1)

124 [27] zeigt eine gemessene Transferkennlinie des Niedervolt Trench Gate MOSFETs bei VDS = 30 V und Tj = 125°C. 124 [27] shows a measured transfer characteristic of the low-voltage trench gate MOSFET at V DS = 30 V and T j = 125 ° C.

Transferkennlinien können durch Polynome höherer Ordnung, die keine Polstellen in dem zulässigen Arbeitsbereich haben, nachgebildet werden. Im Schaltermodell ist für den Drainstrom der Transferkennlinie

Figure 00620001
folgende Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung ugs umgesetzt worden:
Figure 00620002
Transfer characteristics can be modeled by higher order polynomials that have no poles in the allowable range of operation. In the switch model is for the drain current of the transfer characteristic
Figure 00620001
following dependence on the gate-source voltage u gs has been implemented:
Figure 00620002

Um die Ermittlung des Transferkennlinienpolynoms zu erleichtern, bietet es sich an, die Messpunkte ab der Schwellenspannung dem Curve-Fit-Programm zu übergeben und den Transistorstrom nach unten zu begrenzen mit

Figure 00620003
In order to facilitate the determination of the transfer characteristic polynomial, it is advisable to transfer the measuring points from the threshold voltage to the Curve Fit program and to limit the transistor current to the lower limit
Figure 00620003

Die im Simulator vorhandenen Begrenzungsfunktionen haben jedoch immer eine untere und eine obere Grenze. Eine sinnvolle obere Grenze wäre der Strom der Ausgangskennlinie ID = f(VDS, VGS = VDr), bei dem der Schalter in die Stromsättigung geht. Allerdings liegen für diese Bereiche des Ausgangskennlinienfeldes in der Regel keine Messdaten vor, da mit den üblichen Messgeräten diese Arbeitspunkte nicht angefahren werden können bzw. aufgrund der entstehenden Verluste im Schalter sofort thermische Effekte wirken, die die Messdaten in Frage stellen würden. Deshalb wird dem Anwender empfohlen, als obere Grenze einen maximalen Stromwert anzugeben, der ungefähr dem 5 bis 6-fachen Nennstrom des Schalters entspricht. Dieser Drainstrom liegt in Bereichen des Ausgangskennlinienfeldes, die in der Regel weder im Schaltbetrieb noch im Kurzschlussfall erreicht werden, und hat somit keinen Einfluss auf die Simulation. Die angedeutete Stromsättigung wird im Übrigen auch schon durch die nachfolgend erläuterte Modellierung des Ausgangskennlinienfeldes umgesetzt.However, the limiter functions present in the simulator always have a lower and an upper limit. A reasonable upper limit would be the current of the output characteristic I D = f (V DS , V GS = V Dr ) at which the switch goes into current saturation. However, there are usually no measured data for these areas of the output characteristic field, since these operating points can not be approached with the usual measuring devices or, due to the resulting losses in the switch, immediate thermal effects act which would call the measured data into question. Therefore, it is recommended that the user specify as upper limit a maximum current value, which corresponds approximately to the 5 to 6 times the rated current of the switch. This drain The current lies in the output characteristic field, which is usually not reached in either switching operation or in the event of a short circuit, and thus has no influence on the simulation. Incidentally, the indicated current saturation is also already implemented by the modeling of the output characteristic field explained below.

4.1.3.2. Modellierung des Ausgangskennlinienfeldes4.1.3.2. Modeling the output characteristic field

Eine Ausgangskennlinie beschreibt die Abhängigkeit des Drainstromes ID als Funktion der Drain-Source-Spannung mit der Gate-Source-Spannung als Parameter: ID = f(VDS, VGS = const.). (4.3) An output characteristic describes the dependence of the drain current I D as a function of the drain-source voltage with the gate-source voltage as a parameter: I D = f (v DS , V GS = const.). (4.3)

125 [27] zeigt gemessene Ausgangskennlinien des Niedervolt Trench Gate MOSFETs bei verschiedenen VGS-Spannungen bei Tj = 125°C. 125 [27] shows measured output characteristics of the low-voltage trench gate MOSFET at different V GS voltages at T j = 125 ° C.

Die nachfolgend zur mathematischen Nachbildung verwendeten Bezeichnungen entsprechen den im Modell verwendeten Bezeichnungen. Da im Schaltermodell mit einer Stromeinprägung gerechnet wird, beziehen sich die folgenden Erläuterungen und die dazugehörige 127 auf die Umkehrfunktion der Ausgangskennliniedefinition: VDS = f(ID, VGS = const.).( 4.4) The designations used below for mathematical replication correspond to the designations used in the model. Since a current injection is expected in the switch model, the following explanations and the associated ones relate 127 on the inverse function of the output characteristic definition: V DS = f (I D , V GS = const.). (4.4)

Die Modellierung des Aktiven Bereiches kann durch die Erzeugung einer Parallelenschar erfolgen, da der Anstieg rs im Stromsättigungsbereich aller Ausgangskennlinien ungefähr gleich und nahezu fair den gesamten Bereich konstant ist:

Figure 00630001
The modeling of the active region can be done by generating a parallel set, since the slope r s in the current saturation region of all output characteristics is approximately equal and almost fair the entire region constant:
Figure 00630001

Aus der Transferkennlinie kann für jede Gate-Source-Spannung ein Punkt (uds_trans; it_trans) der entsprechenden Ausgangskennlinie ermittelt werden (vgl. 126). Die Spannung uds_trans ist für alle diese Punkte die Drain-Source-Spannung, bei der die Übertragungsfunktion gemessen wurde. Der Anstieg rs wird aus dem gemessenen AKF näherungsweise ermittelt: rs = ΔVDS/ΔID. (4.6) From the transfer characteristic, a point (u ds_trans ; i t_trans ) of the corresponding output characteristic can be determined for each gate-source voltage (cf. 126 ). The voltage u ds_trans for all these points is the drain-source voltage at which the transfer function was measured. The increase r s is approximated from the measured AKF: r s = ΔV DS / .DELTA.I D , (4.6)

Durch Einsetzen des Punktes (uds_trans; it_trans) in die Parallelengleichung kann der Schnittpunkt ni mit der VDS-Achse ermittelt werden: ni = uds_trans – rs·it_trans. (4.7) By inserting the point (u ds_trans ; i t_trans ) in the parallel equation , the intersection point n i with the V DS axis can be determined: n i = u ds_trans - r s · i t_trans , (4.7)

Die Parallelenschar kann also allgemein durch die folgende Gleichung erfasst und im Schaltermodell umgesetzt werden: uds_ps = rs·it + uds_trans – rs·it_trans· (4.8) The parallels can thus generally be detected by the following equation and implemented in the switch model: u ds_ps = r s · i t + ds_trans - r s · i t_trans · (4.8)

Es ist darauf hinzuweisen, dass die Ausgangskennlinien für Gate-Source-Spannungen unter der Schwellenspannung (VGS

Figure 00630002
) aufeinander liegen. Deutlich wird auch, dass die Nachbildung der Übertragungsfunktion die Qualität des Aktiven Bereiches beeinflusst, weil sie die Lage der Ausgangskennlinien festlegt.It should be noted that the output characteristics for gate-source voltages below the threshold voltage (V GS
Figure 00630002
) lie on one another. It is also clear that the simulation of the transfer function influences the quality of the Active Area because it determines the position of the output characteristics.

Das Kennlinienfeld muss begrenzt werden. Beim Überschreiten der Durchbruchspannung steigt der Strom sehr stark an. Oberer Grenzwert ist demzufolge die Avalanche-Spannung VAV des Schalters. Nach unten ist das Kennlinienfeld durch den Ohmschen Bereich beschränkt. Der Einschaltwiderstand rds(on) ist bei MOSFETs besonders spannungs abhängig. Deshalb wurde der ohmsche Bereich der Ausgangskennlinien mit einer Geradenschar modelliert:

Figure 00640001
The characteristic field must be limited. When the breakdown voltage is exceeded, the current increases very strongly. The upper limit is therefore the avalanche voltage V AV of the switch. Down the characteristic field is limited by the ohmic range. The on-resistance r ds (on) is particularly voltage-dependent for MOSFETs. Therefore, the ohmic range of the output characteristics was modeled with a straight line:
Figure 00640001

Die Geraden gehen durch den Ursprung und ihr Anstieg m wird in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung bestimmt. Zur Identifizierung der dazu notwendigen Parameter werden gemessene rds(on)-Kennlinien als lineare Gleichungen approximiert und für die so ermittelten Anstiege ein Polynom m = f(ugs) bestimmt:

Figure 00640002
The straight lines go through the origin and their rise m is determined as a function of the gate-source voltage. To identify the necessary parameters, measured r ds (on) -Kenn approximates lines as linear equations and determines a polynomial m = f (u gs ) for the ascents thus determined:
Figure 00640002

Dieses Polynom darf über den gesamten Definitionsbereich der Gatespannung keine Polstellen haben und wird im Simulator nach oben und unten begrenzt, um das Finden eines passenden Polynoms zu erleichtern. Der Wechsel vom Ohmschen in den Aktiven Bereich ist stark vereinfacht. Um den Übergang in die Begrenzungen stetiger zu modellieren, gibt es einen Softknee-Faktor für die obere und untere Grenze (SK_o und SK_u).This Polynomial is allowed over the entire domain of gate voltage have no poles and is in the simulator up and down limited to facilitate finding a matching polynomial. The change from Ohm to Active is greatly simplified. To more steadily model the transition to the boundaries, There is a softknee factor for the top and bottom Border (SK_o and SK_u).

4.1.4. Durchlassverhalten der Diode4.1.4. Transmittance behavior of the diode

Die Durchlasskennlinie der Inversdiode kann entsprechend durch ein Polynom nachgebildet werden. Da das Modell von einer Stromeinprägung ausgeht, wird das folgende Polynom im Simulator umgesetzt, was der Umkehrfunktion der Diodenkennlinie entspricht:

Figure 00640003
The transmission characteristic of the inverse diode can be simulated correspondingly by a polynomial. Since the model assumes a current injection, the following polynomial is implemented in the simulator, which corresponds to the inverse function of the diode characteristic:
Figure 00640003

Auch hier muss sichergestellt werden, dass der Definitionsbereich keine Polstellen enthält. Eine Begrenzung der Funktion besteht im vorhandenen Modell noch nicht, der Einbau wäre jedoch zur Ausgrenzung möglicher Polstellen empfehlenswert.Also here it must be ensured that the domain of definition is no Contains poles. A limitation of the function exists in the existing model not yet, but the installation would be to exclude possible poles recommended.

4.1.5. Modellierung des Gatekreises4.1.5. Modeling the gate circuit

Der Gatekreis wird mit den folgenden Gleichungen aufgebaut (vgl. 128):

Figure 00640004
Figure 00650001
The gate circuit is constructed with the following equations (cf. 128 ):
Figure 00640004
Figure 00650001

Das Schaltermodell fasst alle Widerstände und Induktivitäten des Schalters zusammen und unterscheidet nicht nach Source-, Drain- und Anschlussinduktivitäten bzw. internen Widerständen und Anschlusswiderständen. Deshalb wurde der Faktor Ki zur Simulation der di/dt-Rückkopplung eingeführt (vgl. Abschnitt. 2.2.1.). Ki ergibt sich aus dem Verhältnis der Sourceinduktivität zur Schalterinduktivität:

Figure 00650002
The switch model combines all the resistors and inductances of the switch and does not differentiate between source, drain and connection inductances or internal resistances and connection resistances. Therefore, the factor Ki has been introduced to simulate di / dt feedback (see Section 2.2.1.). Ki results from the ratio of the source inductance to the switch inductance:
Figure 00650002

Neben den in Abschnitt 4.1.2. – Zustände und Umschaltbedingungen des Schaltermodells – beschriebenen Zuständen unterscheidet das Modell mit Hilfe des Ansteuersignals X, ob die Treiberspannung Udr anliegt oder nicht.In addition to those in Section 4.1.2. - States and switching conditions of the switch model - states described the model distinguishes by means of the drive signal X, whether the driver voltage U dr applied or not.

4.1.6. Modellierung der spannungsabhängigen Drain-Source-Kapazität4.1.6. Modeling the voltage-dependent Drain-source capacitance

Die Modellierung einer spannungsabhängigen Kapazität Crss für die Simulation der dv/dt-Rückkopplung (vgl. Abschnitt 2.3.2. – dVDS/dt – Rückkopplung durch die Drain-Gate-Kapazität) wird ebenfalls mit einem Polynom realisiert. Da die Schaltverläufe relativ empfindlich auf Kapazitätsveränderungen reagieren, wurde ein Polynom 5. Grades verwendet, um eine möglichst genaue Nachbildung der Kennlinie zu ermöglichen:

Figure 00650003
The modeling of a voltage-dependent capacitance Crss for the simulation of the dv / dt feedback (see Section 2.3.2 - dVDS / dt - Feedback through the drain-gate capacitance) is also realized with a polynomial. Since the switching characteristics are relatively sensitive to changes in capacitance, a polynomial of the fifth degree was used to enable the most accurate simulation of the characteristic curve:
Figure 00650003

Da bei Polynomen höherer Ordnung mehr Polstellen auftreten und es demzufolge schwieriger ist ein Polynom zu finden, das über den gesamten Definitionsbereich keine Polstellen hat, wurde neben der Begrenzung von Cm auch eine Begrenzung der Drain-Gate-Spannung im Simulator ermöglicht. Die Drain-Gate-Spannung verändert sich im Laufe eines Schaltvorganges zwischen der negativen Treiberspannung im eingeschalteten und der Zwischenkreisspannung im ausgeschalteten Zustand und kann beim Ausschalten aufgrund der entstehenden Überspannung auch über die Zwischenkreisspannung hinaus ansteigen. In diesem Bereich der Drain-Source-Spannung ist die Millerkapazität jedoch annähernd konstant, sodass, falls eine Begrenzung in diese Richtung notwendig wird, die Genauigkeit der Simulation weitgehend erhalten bleibt. Die eingeschränkte Funktion Cm' kann dann mit dem Offset Om verschoben werden: Crss = Cm' + Om. (4.18) Since more poles occur in polynomials of higher order and it is therefore more difficult to find a polynomial that has no poles over the entire domain of definition, in addition to the limitation of Cm also a limitation of the drain-gate voltage in the simulator has been made possible. The drain-gate voltage changes in the course of a switching operation between the negative drive voltage in the switched-on and the intermediate circuit voltage in the off state and can also increase beyond the intermediate circuit voltage when switching off due to the resulting overvoltage. However, in this range of drain-to-source voltage, the Miller capacitance is approximately constant, so if limitation in that direction becomes necessary, the accuracy of the simulation is largely maintained. The restricted function Cm 'can then be moved with the offset Om: Crss = Cm '+ Om. (4.18)

Der Verschiebestrom idg ergibt sich aus:

Figure 00650004
The displacement current i dg results from:
Figure 00650004

4.2. Parametrierung des Schaltermodells im Tiefsetzsteller4.2. Parameterization of the switch model in the buck converter

4.2.1. Parameter des Modells4.2.1. Parameter of the model

Das Schaltermodell Et3g hat die folgenden Parameter: Parameter des Ausgangskennlinienfeldes ti (mit i = 0..7) : Koeffizienten der Transferkennlinie Uth : Schwellenspannung der Transferkennlinie Uds_trans : Drain-Source-Spannung der Transferkennlinie rs : Anstieg der Ausgangskennlinie ins Aktiven Bereich Uav : Avalanche-Spannung des Schalters rdsi (mit i = 0..4) : Koeffizienten des Polynoms mrd = f(ugs) SK_o : Soft-Knee-Faktor für den Übergang in obere Grenze (Uav) Sk_u : Soft-Knee-Faktor für den Übergang in untere Grenze (rds(on)-Gerade) Parameter der integrierten Inversdiode di (mit i = 0..4) : Koeffizienten der Diodenkennlinie Trr : Zeitkonstante zur Einstellung des Rückstromabrisses Td : Zeitkonstante zur Einstellung der Rückstromspitze Parameter der Kommutierungsinduktivitäten und -widerstände Rs : Schalterwiderstand Ls : Schalterinduktivität Ki : relativer Anteil von Ls, der die di/dt-Rückkopplung bewirkt Krlm : relativer Anteil von Ls, der zwischen den Messpunkten von vds liegt Parameter des Gatekreises Cgs : Gatekapazität des Schalters Rg : Gatewiderstand Vdr : Treiberspannung Parameter der Millerkapazität und der du/dt-Rückkopplung mi (mit i = 0..10): Koeffizienten des Polynoms Cm = f(νdg) Um_u: untere Begrenzung der Spannung vdg als Argument von Cm Um_o: obere Begrenzung der Spannung vds als Argument von Cm Cm_u: untere Begrenzung der Millerkapazität Cm Cm_o: obere Begrenzung der Millerkapazität Cm Om: Offset zur Verschiebung des Polynoms Cm' Tu: Zeitkonstante mit der vdg differenziert wird The switch model Et3g has the following parameters: Parameters of the output characteristic field t i (with i = 0..7) : Coefficients of the transfer characteristic Uth : Threshold voltage of the transfer characteristic Uds_trans : Drain-source voltage of the transfer characteristic rs : Increase of the output characteristic to the active range uAV : Avalanche voltage of the switch rds i (with i = 0..4) : Coefficients of the polynomial m rd = f (u gs) SK_o : Soft Knee Factor for Transition to Upper Limit (Uav) Sk_u : Soft knee factor for transition to lower bound (r ds (on) straight) Parameters of the integrated inverse diode d i (with i = 0..4) : Coefficients of the diode characteristic trr : Time constant for setting the reverse current break td : Time constant for setting the reverse current peak Parameters of the commutation inductances and resistances R s : Switch resistance L s : Switch inductance Ki : relative proportion of Ls causing the di / dt feedback Krlm : relative proportion of Ls lying between the measurement points of v ds Parameters of the gate circuit Cgs : Gate capacity of the switch rg : Gate resistance vdr : Driver voltage Miller capacity and du / dt feedback parameters m i (with i = 0..10): Coefficients of the polynomial Cm = f (ν dg ) U m_u : lower limit of the voltage v dg as argument of Cm U m_o : upper limit of the voltage v ds as argument of Cm C m_u : lower limit of millimeter capacity Cm C m_o : upper limit of millimeter capacity Cm O m : Offset for shifting the polynomial Cm ' Tu: Time constant with the v dg is differentiated

Dabei ist zu beachten, dass sich die Einheiten von Cm_u, Cm_o, Om und Tu aus der Einheit der gefitteten Millerkapazitätskennlinie ergeben. Wurde beispielsweise die Millerkapazität [nF = 10–9F] in Abhängigkeit von der Drain-Gate-Spannung vdg [V] gefittet, so ist Tu = 10–9 und die einzustellenden Werte Um_u, Um_o, Cm_u, Cm_o und Om haben ebenfalls die Einheit nF.It should be noted that the units of Cm_u, Cm_o, Om and Tu are the unit of fit Miller capacity curve. If, for example, the Miller capacitance [nF = 10 -9 F] has been fitted as a function of the drain-gate voltage v dg [V], then Tu = 10 -9 and the values Um_u, Um_o, Cm_u, Cm_o and Om are also set the unit nF.

4.2.2. Bestimmung der Parameter des Schaltermodells4.2.2. Determination of the parameters of the switch model

Um die Plausibilität der ermittelten Kapazitätskennlinien zu überprüfen, müssen zunächst alle schalterspezifischen Parameter für den vorliegenden MOSFET-Brückenzweig aus dem Datenblatt bzw. aus den Messungen ermittelt werden. Die folgenden Abschnitte können jedoch nicht zum Ziel haben, die Induktivitäten und Kennlinien genau zu ermitteln. Es geht vielmehr darum, Größenordnungen zu finden, um das Schaltermodell mit realistischen Parameter zu versorgen. Die Messdaten werden jedoch nur an einem Muster aufgenommen, sodass keine Streuungen berücksichtigt werden und Mittelwerte gebildet werden. Eine genauere Ermittlung der Werte kann schon aus diesem Grund nicht sinnvoll sein. Deshalb wird auch auf eine Fehlerbetrachtung verzichtet. Stattdessen werden nur einige Fehlerquellen genannt:

  • • Quantisierungsfehler der AD-Wandlung im Oszilloskop und im Curve Tracer
  • • Offsetfehler des Oszilloskops und des Curve Tracers
  • • Bit-Auflösung des Oszilloskops und des Curve Tracers
  • • Tastköpfe
  • • Pearsonsonde
  • • Rauschen
  • • ...
In order to check the plausibility of the determined capacitance characteristics, all switch-specific parameters for the present MOSFET bridge branch must first be determined from the data sheet or from the measurements. The following sections, however, may not be intended to accurately determine the inductances and characteristics. Rather, it is about finding orders of magnitude to provide the switch model with realistic parameters. However, the measurement data is only recorded on a sample so that no scatters are taken into account and averages are formed. A more exact determination of the values can not make sense for this reason. Therefore, a mistake is omitted. Instead, only a few sources of error are mentioned:
  • • Quantization error of the AD conversion in the oscilloscope and in the Curve Tracer
  • • Offset error of the oscilloscope and the Curve Tracer
  • • Bit resolution of the oscilloscope and the Curve Tracer
  • • probes
  • • Pearson probe
  • • Noise
  • • ...

4.2.2.1. Parameter des Ausgangskennlinienfeldes und der Diodenkennlinie4.2.2.1. Parameters of the output characteristic field and the diode characteristic

Die Koeffizienten der in 124 dargestellten, bei Uds_trans = 30 V gemessenen Transferkennlinie

Figure 00670001
wurden mit Hilfe von TableCurve 2D mit folgendem Ergebnis ermittelt (vgl. 129):

  • t0 = –354,85082
  • t1 = 315,39758
  • t2 = –93,802305
  • t3 = 9,339166
  • t4 = 1,
  • t5 = –0,56186353
  • t6 = 0,098355257
  • t7 = –0,0017673537.
The coefficients of in 124 represented, at Uds_trans = 30 V measured transfer characteristic
Figure 00670001
were determined with the help of TableCurve 2D with the following result (cf. 129 ):
  • t 0 = -354,85082
  • t 1 = 315.39758
  • t 2 = -93.802305
  • t 3 = 9.339166
  • t 4 = 1,
  • t 5 = -0.56186353
  • t 6 = 0.098355257
  • t 7 = -0.0017673537.

Aus der Messung wurde eine Schwellenspannung Uth = 3,2 V bestimmt.From the measurement, a threshold voltage U th = 3.2 V was determined.

Der Faktor rs lässt sich aus dem gemessenen Kennlinienfeld nur sehr schwer auswerten. Der Anstieg der Kennlinien ist nicht nur innerhalb einer Ausgangskennlinie unterschiedlich, sondern rs ist auch von Kennlinie zu Kennlinie verschieden. Da es sich bei einem Modell um eine vereinfachte Abbildung der Realität handelt, wurde – zu Gunsten der Rechengeschwindigkeit und auf Kosten der Genauigkeit – ein konstanter Anstieg aller Ausgangskennlinien im Aktiven Bereich angenommen. Betrachtet man die 125, so scheint sich diese Annahme für den verwendeten MOSFET-Brückenzweig in guter Näherung zu bestätigen. Dies trifft jedoch nicht für alle Niedervolt MOSFETs zu. In der Regel stimmt diese Annahme nur für bestimmte Bereiche des Ausgangskennlinienfeldes. So wurde im Bereich des Nennstromes der Anstieg rs = ΔVDS/ΔID = 3,2 Ω ermittelt und für die Simulation festgelegt. Prinzipiell wäre es auch denkbar rs arbeitspunkt-abhängig einzustellen, wenn sich die Anstiege zu stark ändern. Für Arbeitspunkte um den Nennstrom kann sich ein anderer Wert ergeben als für Arbeitspunkte die nur 1/10 des Nennstromes betragen. Der Anstieg rs ist und bleibt jedoch ein Mittelwert. Eine genauere Nachbildung des Aktiven Bereiches ist mit diesem Modell nicht möglich!The factor r s is very difficult to evaluate from the measured characteristic field. The rise of the characteristics is different not only within an output characteristic, but r s is also different from curve to curve. Since a model is a simplified representation of reality, a constant increase of all output characteristics in the active range has been assumed in favor of the computing speed and at the expense of accuracy. Looking at the 125 , so this assumption for the MOSFET bridge branch used seems to be close to a good approximation. This is not true for all low-voltage MOSFETs too. In general, this assumption is true only for certain areas of the output characteristic field. Thus, in the range of the nominal current, the increase r s = ΔV DS / ΔI D = 3.2 Ω was determined and defined for the simulation. In principle, it would also be conceivable operating point-dependent r s set when changing the climbs too strong. For operating points around the nominal current, a different value may result than for operating points which are only 1/10 of the rated current. The increase r s is and remains an average. A more accurate replica of the Active range is not possible with this model!

Die Avalanche-Spannung des Schalters liegt laut Datenblatt bei 75 V [27].The Avalanche voltage of the switch is according to the data sheet at 75 V. [27].

Die Koeffizienten des Polynoms

Figure 00680001
wurden mit Hilfe von TableCurve 2D mit folgenden Werten bestimmt (vgl. 130):

  • rds0 = 0.040194805
  • rds1 = 0
  • rds2 = 0,0015956115
  • rds3 = 0
  • rds4 = 0,22509648
The coefficients of the polynomial
Figure 00680001
were determined with the help of TableCurve 2D with the following values (cf. 130 ):
  • rds 0 = 0.040194805
  • rds 1 = 0
  • rds 2 = 0.0015956115
  • rds 3 = 0
  • rds 4 = 0.22509648

Die Abbildungen 131 und 132 stellen das simulierte Ausgangskennlinienfeld im Vergleich zum gemessenen dar und zeigen, wie es beim Ein- und Ausschalten (IL = 150 A, RG = 10 Ω, VDClink = 30 VDr UDr = 12 V und Tj = 125°C) durchlaufen wird. Bei den dargestellten Ein- und Ausschaltverläufen handelt es sich jedoch um die Messgrößen. In der Simulation wird das Ausgangskennlinienfeld rechnerisch mit dem Kanalstrom it und der Gatespannung ugs als Eingangsgröße durchlaufen. Sie liefert als Ausgangsgröße die Schalterspannung us. Die Verläufe können deshalb nur als Anhaltspunkt angesehen werden. Sie unterscheiden sich von den transistorinternen Größen noch durch die Wirkung der Kommutierungsinduktivitäten und Kommutierungskapazitäten.The pictures 131 and 132 represent the simulated output characteristic field compared to the measured and show how it turns on and off (I L = 150 A, R G = 10 Ω, V DClink = 30 V Dr U Dr = 12 V and T j = 125 ° C ). However, the illustrated switching on and off curves are the measured quantities. In the simulation, the output characteristic field is computationally traversed with the channel current i t and the gate voltage u gs as input. It provides as output the switch voltage u s . The courses can therefore only be regarded as a guide. They differ from the transistor-internal variables by the effect of commutation inductances and commutation capacities.

Bei der Erzeugung des Ausgangskennlinienfeldes im Simulator wurde auch analysiert, welche Softknee-Faktoren das beste Resultat liefern. Das Ergebnis dieser Analyse ist, dass mit Hilfe dieser Faktoren der Übergang vom Ohmschen in den Aktiven Bereich nicht nachbildbar ist. Die so genannten RDS(on)-Geraden sind keine Geraden und weichen von den approximierten Geraden bei steigender Drain-Source-Spannung immer weiter ab, so dass hier bei der Simulation Fehler gemacht werden. Der Effekt wird bei höheren Gatespannungen beständig stärker. Die Abbildungen verdeutlichen, dass der Ohmsche Bereich sonst relativ genau ist und kaum simulative Fehler gemacht werden. Der Aktive Bereich scheint unterhalb des Nennstromes relativ gut zu simulieren. Es zeigt sich jedoch, dass die vereinfachende Annahme, rs sei konstant, zu Ungenauigkeiten führt. Je länger sich der Transistor in diesen fehlerhaften Gebieten aufhält, umso wichtiger ist die genaue Nachbildung für beste Simulationsergebnisse. In diesem Zusammenhang sollte man erwägen, ob es nicht effektiver wäre, die Übertragungsfunktion und das AKF sehr genau zu messen, die so ermittelten Messwerte direkt für die Simulation zu verwenden und zwischen den gemessenen Punkten linear zu interpolieren, statt die relativ aufwendige Ermittlung der Parameter aus den Messdaten durchzuführen.When generating the output characteristic field in the simulator, it was also analyzed which soft-edge factors produce the best result. The result of this analysis is that with the help of these factors, the transition from the ohmic to the active region is not replicable. The so-called R DS (on) lines are not straight lines and deviate from the approximated straight lines as the drain-source voltage increases, so that errors are made here during the simulation. The effect is consistently stronger at higher gate voltages. The pictures make it clear that the Ohm's range is otherwise relatively accurate and that hardly any simulative errors are made. The active range seems to simulate relatively well below the nominal current. It turns out, however, that the simplistic assumption that r s is constant leads to inaccuracies. The longer the transistor stays in these defective areas, the more important is the exact replica for best simulation results. In this context, it should be considered whether it would be more effective to measure the transfer function and the ACF very precisely, to use the measurements thus obtained directly for the simulation and to interpolate linearly between the measured points, rather than the relatively complex determination of the parameters to carry out the measurement data.

Die Koeffizienten der Diodenkennlinie

Figure 00690001
wurden mit Hilfe von TableCurve 2D mit folgenden Werten bestimmt (vgl. 133):

  • d0 = 0,22908059
  • d1 = 0,47814107
  • d2 = 0,0030868108
  • d3 = 0,78775813
  • d4 = 0,00023899839
The coefficients of the diode characteristic
Figure 00690001
were determined with the help of TableCurve 2D with the following values (cf. 133 ):
  • d 0 = 0.22908059
  • d 1 = 0.47814107
  • d 2 = 0.0030868108
  • d 3 = 0.78775813
  • d 4 = 0.00023899839

4.2.2.2. Bestimmung der Induktivitäten und Widerstände4.2.2.2. Determination of inductances and resistances

Das Schaltermodell unterscheidet nicht zwischen den internen Induktivitäten und Anschlussinduktivitäten, sondern verarbeitet lediglich die Schalterinduktivität Ls. Aufgrund der Faktoren Ki und Krls kann in Ls neben der eigentlichen Schalterinduktivität zusätzlich auch die Zwischenkreisinduktivität enthalten sein. Trotzdem messen aus den Messdaten des Industriesamples möglichst viele Informationen über die einzelnen Induktivitäten gewonnen werden, damit die Simulationsparameter Ki und Krls reale Werte erhalten können. Die Ermittlung des di/dt – Rückkopplungsparameters Ki erfolgt, wie zuvor erläutert, mit der Gleichung (4.16). Zur Bestimmung der Messspannung ergibt sich für den Parameter Krls:

Figure 00700001
The switch model does not differentiate between the internal inductances and the connection inductances, but only processes the switch inductance L s . Due to the factors Ki and Krls in L s ne ben the actual switch inductance in addition, the DC link inductance may be included. Nevertheless, as much information as possible about the individual inductances can be obtained from the measurement data of the industrial sample so that the simulation parameters Ki and Krls can obtain real values. The determination of the di / dt feedback parameter Ki takes place, as explained above, with the equation (4.16). For the determination of the measuring voltage results for the parameter Krls:
Figure 00700001

Der prinzipielle Aufbau der Tiefsetzstellerschaltung, die zur Gewinnung der Messdaten verwendet wurde, ist in 14 dargestellt. Aus den aufgenommen Messdaten lassen sich die Induktivitäten, die außerhalb der Messpunkte P3 und P2 bzw. zwischen P4 und P2 liegen, ermitteln. Sie rufen zwischen den Punkten beim Einschalten des unteren Transistors aufgrund des positiven Stromanstieges eine Überspannung und beim Ausschalten durch den negativen Stromanstieg eine Spannungsentlastung hervor (vgl. 134– Spannungsabfall über den Induktivitäten beim Ein – und Ausschalten von Schalter 2). Zur Berechnung der Zwischenkreisinduktivität LDClink und der Induktivität L1 des oberen Schalter wurden die Ausschaltverläufe von Transistor T2 für unterschiedliche Lastströme IL untersucht (Tj = 125°C, VDC = 30 V und RG = 10 Ω).The basic structure of the buck converter circuit used to obtain the measurement data is in 14 shown. From the recorded measurement data, it is possible to determine the inductances which lie outside the measuring points P3 and P2 or between P4 and P2. They cause an overvoltage between the points when the lower transistor is switched on due to the positive current increase and a voltage release when the negative current increase is switched off (cf. 134 - Voltage drop across the inductors when switching on and off switch 2). For calculating the DC link inductance L DClink and the inductance L 1 of the upper switch, the turn-off characteristics of transistor T 2 were investigated for different load currents I L (Tj = 125 ° C, V DC = 30 V and R G = 10 Ω).

135 (Ausschalten von T2 bei IL = 150 A, VDD = 30 V, RG = 10 Ω) zeigt am Beispiel der Messverläufe des Drainstromes ID, der Halbbrückenspannung VHB, der Drain-Source-Spannung VDS und der Gate-Source-Spannung VGS bei einem Laststrom von 150 A die Ermittlung der Spannungen für die Bestimmung des Spannungsabfalls über den Induktivitäten und des dazugehörigen Stromanstieges aus den Messdaten. 135 (Switching off of T 2 at I L = 150 A, V DD = 30 V, R G = 10 Ω) shows the example of the measurement curves of the drain current I D , the half-bridge voltage V HB , the drain-source voltage V DS and the gate -Source voltage V GS at a load current of 150 A, the determination of the voltages for the determination of the voltage drop across the inductors and the associated current increase from the measured data.

Die Zwischenkreisinduktivität wurde näherungsweise berechnet. Sie ergibt sich als Quotient aus der Differenz zwischen dem Maximalwert der Halbbrückenspannung VHBmax und dem Mittelwert der Halbbrückenspannung im ein- und ausgeschalteten Zustand (VHBoff und VHBon) und dem Stromanstieg während der Spannungsspitze ΔID/Δt:

Figure 00700002
The DC link inductance was calculated approximately. It results as a quotient of the difference between the maximum value of the half-bridge voltage V HBmax and the mean value of the half-bridge voltage in the switched on and off state (V HBoff and V HBon ) and the current increase during the voltage peak ΔI D / Δt:
Figure 00700002

Die unterschiedlichen Halbbrückenspannungen im ein- und ausgeschalteten Zustand kommen durch den ohmschen Widerstand RDClink im Zwischenkreis zustande. Wenn der untere Schalter T2 eingeschaltet ist, dann fließt im Zwischenkreis ein Strom, der über diesen Widerständen einen Spannungsabfall verursacht, welcher die Halbbrückenspannung VHB verringert: VHBVon = VDClink – ID·RDClink. (4.21a) The different half-bridge voltages in the switched on and off state come about through the ohmic resistance R DClink in the DC link . When the lower switch T 2 is turned on, a current flows in the intermediate circuit which causes a voltage drop across these resistors which reduces the half-bridge voltage V HB : V HBVon = V DClink - I D · R DClink , (4.21a)

Dagegen ist VHBoff = VDClink. (4.21b) On the other hand is V HBOFF = VD Clink , (4.21b)

Während der Stromkommutierung sinkt VR_DClink von VRDClink = ID·RDClink. (4.21c) auf VRDClink = 0 V (4.21d)ab und bleibt somit nicht konstant. Diese Änderung sollte jedoch aus Genauigkeitsgründen bei der Kalkulation berücksichtigt werden. Deshalb wurde vereinfachend der Mittelwert von VHBoff und VHBon für die Berechnung gewählt. Betrachtet man dagegen die Drain-Source-Spannung, so lässt sich entsprechend die Summe der Induktivitäten im Zwischenkreis LDClink und im oberen Schalter L1 errechnen aus:

Figure 00710001
During current commutation, V R_DClink drops from V RDClink = I D · R DClink , (4.21c) on V RDClink = 0V (4.21d) and thus does not remain constant. However, this change should be considered in the calculation for reasons of accuracy. Therefore, for simplicity, the average of V HBoff and V HBon was chosen for the calculation. On the other hand, if the drain-source voltage is considered, then the sum of the inductances in the intermediate circuit L DClink and in the upper switch L 1 can be calculated accordingly:
Figure 00710001

Der Mittelwert der Drain-Source-Spannung im ausgeschalteten Zustand VDSoff, der Diodendurchlassspannung VF und der Halbbrückenspannung im eingeschalteten Zustand VHBon wurde wieder als Vereinfachung benutzt, um zu berücksichtigen, dass zu Beginn der Stromkommutierung VDS = VF + VHBon (4.22a)und gegen Ende VDSoff = VHBoff + VSD(IL) (4.22b)am Schalter anliegt. Durch diese Vereinfachung können die Änderungen, die nicht durch die Induktivitäten hervorgerufen werden, in der Induktivitätsberechnung einkalkuliert werden. Die Durchlassspannung wurde durch lineare Approximation der Durchlasskennlinie bei Tj = 125°C ermittelt. Der sich daraus ergebende Schnittpunkt mit der VSD-Achse bei VSD = 0,62 V wurde bei den Berechnungen für VF angesetzt. Die Temperaturabhängigkeit der Kennlinie ist nicht berücksichtigt worden (vgl. 137), d. h. alle Betrachtungen gehen von der vereinfachenden Annahme aus, dass TJ konstant bleibt und auch bei höheren Strömen aufgrund von höheren Verlusten nicht ansteigt.The mean value of the drain-source voltage in the off state V DSoff , the diode passage voltage V F and the half-bridge voltage in the on state V HBon was again used as a simplification to take into account that at the beginning of the current commutation V DS = V F + V HBon (4.22a) and towards the end V DSoff = V HBOFF + V SD (I L ) (4.22b) is applied to the switch. Due to this simplification, the changes that are not caused by the inductances can be included in the inductance calculation. The forward voltage was determined by linear approximation of the transmission characteristic at T j = 125 ° C. The resulting intersection with the V SD axis at V SD = 0.62 V was used in the calculations for V F. The temperature dependence of the characteristic has not been taken into account (cf. 137 ), ie all considerations are based on the simplifying assumption that T J remains constant and does not increase even at higher currents due to higher losses.

Die Ergebnisse der Auswertung der Messdaten sind in folgender Tabelle zusammengefasst: IL [ A ] LDClink&1 [nH] LDClink [nH] L1 [nH] RDClink [Ω] 10 10,7 7,4 3,3 0,018 30 10,5 7,7 2,8 0,012 50 10,1 7,9 2,2 0,014 75 10,7 8,5 2,1 0,015 100 10,5 8,3 2,2 0,12 150 10,3 8,3 2,0 0,13 The results of the evaluation of the measured data are summarized in the following table: I L [ A ] L DClink & 1 [nH] L DClink [nH] L 1 [nH] R DClink [Ω] 10 10.7 7.4 3.3 0,018 30 10.5 7.7 2.8 0,012 50 10.1 7.9 2.2 0,014 75 10.7 8.5 2.1 0,015 100 10.5 8.3 2.2 0.12 150 10.3 8.3 2.0 0.13

Diese Ergebnisse für die Zwischenkreisinduktivität LDClink und die Induktivität L1 des oberen Schalters wurden an den Einschaltverläufen vom unteren Schalter T2 bei Tj = 125°C, VDC = 30 V und RG = 10 Ω für verschiedene Lastströme IL überprüft (vgl. These results for the DC link inductance L DClink and the inductance L 1 of the upper switch were checked at the switch-on characteristics of the lower switch T 2 at T j = 125 ° C., V DC = 30 V and R G = 10 Ω for different load currents I L see.

136 (Einschalten von T2 bei IL = 150 A, VDD = 30 V, RG = 10 Ω)). Die Induktivitäten LDClink und L1 ergeben sich entsprechend aus den folgenden Gleichungen:

Figure 00720001
136 (Switching on of T 2 at I L = 150 A, V DD = 30 V, R G = 10 Ω)). The inductances L DClink and L 1 result accordingly from the following equations:
Figure 00720001

Dabei stehen VHBmin(+di/dt) und VDSmin(+di/dt) für die Spannungsminima, die während des positiven Stromanstieges erreicht werden (vgl. 136). Die Ergebnisse der Auswertung der Messdaten sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst. Die Auswertung des Einschaltvorganges bestätigt in etwa die Werte, die aus den Daten beim Ausschalten ermittelt wurden. Die unterschiedlichen Induktivitätswerte beim Ein- und Ausschalten müssten bei weiteren Messungen noch einmal geprüft werden. IL [A] LDClink&1 [nH] LDClink [nH] L1 [nH] 10 13,3 11,7 1,5 30 12,9 10,6 2,3 50 12,2 10,4 1,7 75 12,6 10,7 1,8 100 12,0 10,2 1,8 150 13,0 10,4 2,9 Here V HBmin (+ di / dt) and V DSmin (+ di / dt) represent the voltage minima which are reached during the positive current increase (cf. 136 ). The results of the evaluation of the measured data are summarized in the following table. The evaluation of the switch-on process roughly confirms the values that were determined from the data at switch-off. The different inductance values when switching on and off should be checked again in further measurements. I L [A] L DClink & 1 [nH] L DClink [nH] L 1 [nH] 10 13.3 11.7 1.5 30 12.9 10.6 2.3 50 12.2 10.4 1.7 75 12.6 10.7 1.8 100 12.0 10.2 1.8 150 13.0 10.4 2.9

Zur Bestimmung der Induktivität L2 des unteren Schalters und zur Verifizierung der Zwischenkreisinduktivität LDClink wurden Messdaten ausgewertet, die allerdings nur für das Ausschalten von T1 für zwei verschiedene Gatewiderstände RG und Lastströme IL vorlegen. 138 (Ausschalten von T1 mit Diodenstrommessung D2 bei IL = 150 A, VDD = 30 V, RG = 10 Ω) und 139 (Ausschalten von T1 bei IL = 150 A, VDD = 30 V, RG = 10 Ω) zeigen die Ermittlung der relevanten Daten. Auffällig ist, dass zwei verschiedene Messverfahren angewendet wurden. Die Ursache hierfür liegt darin, dass in der vorhandenen Messschaltung der Strom nur durch den unteren Schalter, also durch Transistor T2 bzw. Diode D2, gemessen werden kann. Wenn der Transistor T1 ausschaltet, dann schaltet die Diode D2 passiv ein. Der Stromverlauf in 138 ist also der bereits invertierte Diodenstrom, der in etwa dem Strom durch T1 entspricht. Die Spannungsmessung über dem oberen MOSFET wurde mit einem Differenzkopf gemessen, der massebezugslos ist. Allerdings geht dieser ab 42 V in die Begrenzung, wie an dem Knick in der Drain-Source-Spannung zu sehen ist. Deshalb kann aus dieser Messung nur der ermittelte Stromanstieg verwendet werden.To determine the inductance L 2 of the lower switch and to verify the DC link inductance L DClink measurement data were evaluated, however, submit only for the switching off of T 1 for two different gate resistors R G and load currents I L. 138 (Switching off T 1 with diode current measurement D2 at I L = 150 A, V DD = 30 V, R G = 10 Ω) and 139 (Switching off T 1 at I L = 150 A, V DD = 30 V, R G = 10 Ω) show the determination of the relevant data. It is noticeable that two different measuring methods were used. The reason for this is that in the existing measuring circuit, the current can only be measured by the lower switch, that is to say by transistor T 2 or diode D 2 . When the transistor T 1 turns off, then the diode D 2 turns on passive. The current flow in 138 is thus the already inverted diode current, which corresponds approximately to the current through T 1 . The voltage measurement across the upper MOSFET was measured with a differential head that is ground reference. However, this goes from 42 V in the limit, as can be seen at the kink in the drain-source voltage. Therefore, only the determined current increase can be used from this measurement.

Die zweite Messung erfolgte am oberen Schalter, wo als Massebezugspunkt + VDClink gewählt wurde. Die Daten mussten demzufolge vor der Auswertung invertiert und mit einem Offset versehen werden, bevor die notwendigen Spannungswerte abgelesen werden konnten. Die gesuchten Induktivitäten lassen sich dann wie folgt berechnen:

Figure 00730001
The second measurement was made at the upper switch, where + VDClink was selected as ground reference point . Consequently, the data had to be inverted and offset before the evaluation before the necessary voltage values could be read. The desired inductances can then be calculated as follows:
Figure 00730001

Die Ergebnisse sind in nachstehender Tabelle zusammengefasst. Dabei ist zu beachten, dass die Verwendung von zwei verschiedenen Messungen zur Ermittlung der notwendigen Parameter zu fehlerbehafteten Ergebnissen führen kann. IL [A] RG [Ω] LDClink&2 [nH] LDClink [nH] L2 [nH] RDClink [Ω] 150 10 15,4 8,7 6,7 0,013 300 10 15,2 8,7 6,5 0,011 150 1,2 15,4 8,6 6,9 0,019 300 1,2 16,3 8,9 7,3 0,018 The results are summarized in the table below. It should be noted that the use of two different measurements to determine the necessary parameters can lead to erroneous results. I L [A] R G [Ω] L DClink & 2 [nH] L DClink [nH] L 2 [nH] R DClink [Ω] 150 10 15.4 8.7 6.7 0,013 300 10 15.2 8.7 6.5 0.011 150 1.2 15.4 8.6 6.9 0.019 300 1.2 16.3 8.9 7.3 0,018

Der Zwischenkreisinduktivitätswert LDClink wurde noch einmal gefestigt, es fällt jedoch auf, dass die Induktivität des unteren Schalters ungefähr dreimal so groß ist wie die des oberen Schalters. Diese Feststellung wird durch eine Analyse der Aufbauzeichnung des verwendeten Trench Power MOSFETs bestätigt. Auf Basis der Messdatenauswertung sind LDClink = 9 nH, L1 = 2,5 nH und L2 = 7 nH festgelegt und folgende Transistorinduktivitäten und Krlm-Werte bestimmt worden (vgl. Gleichung (4.20)). Dabei wurde den Schalterinduktivitäten anteilig die Hälfte der Zwischenkreisinduktivität zugerechnet. Ls1 = 0,5·9nH + 2,5 nH = 7 nH Ls2 = 0,5 9nH + 7 nH = 11,5 nH Krlm1 = 0,36 Krlm2 = 0,61 Rs1 = Rs2 = 5 mΩ The DC link inductance L DClink has been re-solidified, but it is noticeable that the inductance of the lower switch is about three times that of the upper switch. This finding is confirmed by an analysis of the construction drawing of the Trench Power MOSFET used. On the basis of the measurement data evaluation , L DClink = 9 nH, L 1 = 2.5 nH and L 2 = 7 nH have been determined and the following transistor inductances and K rlm values have been determined (compare equation (4.20)). In this case, half of the DC link inductance was proportionally attributed to the switch inductances. L s1 = 0.5 · 9nH + 2.5nH = 7nH L s2 = 0.5 9nH + 7nH = 11.5nH K RLM1 = 0.36 K rlm2 = 0.61 R s1 = R s2 = 5 mΩ

Die Abschätzung der Einzelinduktivitäten erfolgte mit Hilfe der Aufbauzeichnung. Da von einer Laststromeinprägung ausgegangen wird, ist der Spannungsabfall über der Lastinduktivität vernachlässigbar. Demzufolge bestehen die ermittelten Induktivitätswerte Ls1 und Ls2 nur aus den entsprechenden Source- und Draininduktivitäten. Unter der Annahme, dass die mittlere Stromweglänge proportional zur Induktivität ist, wurden aus dem Längenverhältnis von der Source- zur Draininduktivität vom oberen und unteren Schalter die Teilinduktivitäten abgeschätzt und die entsprechenden Ki-Werte für die Simulation festgelegt (vgl. Gleichung (4.16)): Induktivität [nH] LD1 2,0 LS1 0,5 Ki1 0,07 LD2 3,5 LS2 3,5 Ki2 0,3 The estimation of the individual inductances was carried out with the aid of the construction drawing. Since a load current impression is assumed, the voltage drop across the load inductance is negligible. Consequently, the determined inductance values L s1 and L s2 consist only of the corresponding source and drain inductances. Assuming that the average current path length is proportional to the inductance, the partial inductances were estimated from the length ratio of the source to the drain inductance from the upper and lower switches and the corresponding Ki values were determined for the simulation (compare equation (4.16)): inductance [NH] L D1 2.0 L S1 0.5 Ki 1 0.07 L D2 3.5 L S2 3.5 Ki 2 0.3

4.2.3. Einbindung des parametrierten Schaltermodells in den Tiefsetzsteller4.2.3. Integration of the parameterized switch model in the buck converter

140 zeigt die Einbindung der Schaltermodelle in die Tiefsetzstellerschaltung im Simulator. (Die dazugehörige Messschaltung ist in 14 dargestellt.) Folgende Gleichungen werden demnach im Simulator gerechnet:

Figure 00750001
140 shows the integration of the switch models in the buck converter circuit in the simulator. (The associated measuring circuit is in 14 The following equations are therefore calculated in the simulator:
Figure 00750001

Das R-C-Glied, das in der zugehörigen Messschaltung nicht enthalten ist, stellt ein Hilfsmittel dar, um im Stromlückbereich das Potential zwischen den beiden Schaltern bestimmen zu können. In Abhängigkeit von den Kapazitätsverhältnissen der beiden Schalter kann dies nämlich von UDClink/2 abweichen. Mit Hilfe dieses R-C-Gliedes können Schwingungsfrequenzen und Amplituden eingestellt werden. In diesem Zusammenhang besteht jedoch noch Analysebedarf, welche physikalischen Größen durch dieses Glied nachgebildet werden, die im Modell sonst nicht enthalten sind. Damit stellen Rb und Cb zwei Parameter dar, die noch durch Probieren eingestellt werden müssen. Es ist jedoch zu vermuten, dass in diesen Parametern evt. die im Schaltermodell nicht weiter berücksichtigte Ausgangskapazität und die parasitäre ohmsche und kapazitive Impedanz der Lastspule enthalten sind. Entsprechende Konsequenzen für die Modellierung der Tiefsetzstellerschaltung, wie beispielsweise, dass das Hilfsglied parallel zur Lastspule zu implementieren ist, können jedoch erst nach weiterführenden Untersuchungen gezogen werden.The RC element, which is not included in the associated measurement circuit, is an aid to be able to determine the potential between the two switches in the current leakage region. Depending on the capacity ratios of the two switches, this may differ from U DClink / 2. With the help of this RC element vibration frequencies and amplitudes can be adjusted. In this context, however, there is still a need for analysis, which physical variables are modeled by this member, which are otherwise not included in the model. Thus, R b and C b represent two parameters that still have to be set by trial and error. However, it may be assumed that the output capacitance and the parasitic ohmic and capacitive impedance of the load coil, which are not further taken into consideration in the switch model, are possibly contained in these parameters. Corresponding consequences for the modeling of the step-down converter circuit, such as, for example, that the auxiliary element is to be implemented parallel to the load coil, can, however, only be drawn after further investigations.

Neben der sich aus Gleichung (4.31) ergebenden Knotenspannung vk des spannungs-eingeprägten Schaltermodells ist das Ansteuersignal X eine weitere Eingangsgröße des Schaltermodells. Zur Erzeugung dieses Signals wird in der Simulation ein Ansteuerautomat verwendet.In addition to the node voltage v k of the voltage-impressed switch model resulting from equation (4.31), the drive signal X is a further input variable of the switch model. To generate this signal, an automatic control unit is used in the simulation.

Damit ergeben sich für die Simulation zusätzlich zu den Parameter des Schaltermodells folgende weitere Parameter: Parameter des Ansteuerautomaten: Vt : Tastverhältnis Tp : Pulsperiode tv : Zweigverriegelungszeit aw : Anfangswert Sonstige Parameter des Tiefsetzstellers: UDClink : Zwischenkreisspannung Uq : Hilfsspannung um die Last nach + bzw. – UDClink zu klemmen L1 : Spule im Lastkreis R1 : Widerstand im Lastkreis Cb : Hilfskapazität Rb : Hilfswiderstand This results in the following additional parameters for the simulation in addition to the parameters of the switch model: Parameters of the automatic control unit: Vt : Duty cycle tp : Pulse period tv : Branch lock time aw : Initial value Other parameters of the buck converter: U DClink : DC link voltage uq : Auxiliary voltage to clamp the load to + or - U DClink L 1 : Coil in the load circuit R 1 : Resistance in the load circuit cb : Auxiliary capacity Rb : Auxiliary resistance

4.2.4. Zusammenfassung der Parameter des verwendeten Messaufbaus4.2.4. Summary of the parameters of the used measurement setup

Parameter des Ausgangskennlinienfeldes Koeffizienten der Transferkennlinie: t0 = –354,85082 t1 = 315,39758 t2 = –93,802305 t3 = 9,339166 t4 = 1 t5 = –0,56186353 t6 = 0,098355257 t7 = –0,0017673537 Schwellenspannung der Transferkennlinie: Uth = 3,7 V Drain-Source-Spannung der Transferkennlinie: Udstrans = 3,7 V Anstieg der Ausgangskennlinie im Aktiven Bereich: rs = 3,2 Ω Avalanche-Spannung des Schalters: UAV = 75 V Koeffizienten zur Bestimmung der RDS(on)-Geraden: rds0 = 0.040194805 rds1 = 0 rds2 = 0,0015956115 rds3 = 0 rds4 = 0,22509648 Soft-Knee-Faktoren zur Begrenzung des Aktiven Bereichs: SK_o = 0 SK_u = 0 Parameter der integrierten Inversdiode Koeffizienten der Diodenkennlinie: d0 = 0,22908059 d1 = 0,478 14107 d2 = 0,0030868108 d3 = 0,78775813 d4 = 0,00023899839 Zeitkonstante zur Einstellung der Rückstromspitze: Td ist arbeitspunktabhängig Zeitkonstante zur Einstellung des Rückstromabrisses: Trr ist arbeitspunktabhängig Parameter der Kommutierungsinduktivitäten und -widerstände LS1 = 7 nH LS2 = 11,5 nH Ki1 = 0,07 Ki2 = 0,3 Krlm1= 0,36 Krlm2 = 0,61 RS1 = 0,005 mΩ RS2 = 0,005 mΩ Parameter des Gatekreises Gatekapazität des Schalters: Cgs = 5 nF Gatewiderstände: Rg1 ist arbeitspunktabhängig. Rg2 ist arbeitspunktabhängig. Treiberspannung: Vdr ist arbeitspunktabhängig. Parameter der verwendeten Millerkapazitätskennlinie und der du/dt-Rückkopplung m0 = 9,88806 m1 = 2,0574 m2 = 19,3493 m3 = –1,81321 m4 = 0,752699 m5 = 0 m6 = 0,500754 m7 = 2,581380 m8 = 0,620787 m9 = 0,198495 m10 = 0,0125828 Tu =1e–9 Begrenzung der Millerkapazität Cm_o = 20 Cm_u = 1 Begrenzung der Spannung vdg Um_o = 40 V Um_u = –15 V Parameter des Ansteuerautomaten: Tastverhältnis: Vt = 0 Pulsperiode: Tp ist arbeitspunktabhängig Zweigverriegelungszeit: tv ist nur für den Synchronbetrieb relevant Sonstige Parameter des Tiefsetzstellers: Zwischenkreisspannung: UDClink ist arbeitspunktabhängig. Hilfsspannung um die Last nach + bzw. – UDClink zu klemmen: Uq ist arbeitspunktabhängig. Hilfskapazität: Cb muss durch Probieren eingestellt werden. Hilfswiderstand: Cb muss durch Probieren eingestellt werden. Lastimpedanz: Ist am Messaufbau zu orientieren. Parameters of the output characteristic field Coefficients of the transfer characteristic: t 0 = -354,85082 t 1 = 315.39758 t 2 = -93.802305 t 3 = 9.339166 t 4 = 1 t 5 = -0.56186353 t 6 = 0.098355257 t 7 = -0.0017673537 Threshold voltage of the transfer characteristic: U th = 3.7V Drain-source voltage of the transfer characteristic: U dstrans = 3.7 V Increase of the output characteristic in the active range: rs = 3.2 Ω Avalanche voltage of the switch: U AV = 75V Coefficients for determining the R DS (on) straight line: rds 0 = 0.040194805 rds 1 = 0 rds 2 = 0.0015956115 rds 3 = 0 rds 4 = 0.22509648 Soft Knee Factors Limiting Active Area: S K_o = 0 SK_u = 0 Parameters of the integrated inverse diode Coefficients of the diode characteristic: d 0 = 0.22908059 d 1 = 0.478 14107 d 2 = 0.0030868108 d 3 = 0.78775813 d 4 = 0.00023899839 Time constant for setting the reverse current peak: Td is operating point dependent Time constant for setting the reverse current break: Trr is dependent on the operating point Parameters of the commutation inductances and resistances L S1 = 7nH L S2 = 11.5 nH Ki1 = 0.07 Ki2 = 0.3 Krlm1 = 0.36 Krlm2 = 0.61 R S1 = 0.005 mΩ R S2 = 0.005 mΩ Parameters of the gate circuit Gate capacity of the switch: Cgs = 5 nF Gate resistors: Rg1 is operating point dependent. Rg2 is operating point dependent. Driving voltage: Vdr is working point dependent. Parameters of the used Millerkapacitätskennlinie and du / dt feedback m 0 = 9.88806 m 1 = 2.0574 m 2 = 19.3493 m 3 = -1.81321 m 4 = 0.752699 m 5 = 0 m 6 = 0.500754 m 7 = 2.581380 m 8 = 0.620787 m 9 = 0.198495 m 10 = 0.0125828 Tu = 1e -9 Limiting the Miller capacity Cm_o = 20 Cm_u = 1 Limitation of the voltage v dg Um_o = 40V Um_u = -15V Parameters of the automatic control unit: duty cycle: Vt = 0 Pulse period: Tp is operating point dependent Branch locking time: tv is only relevant for synchronous operation Other parameters of the buck converter: Intermediate circuit voltage: U DClink is operating point dependent . Auxiliary voltage to clamp the load to + or - U DClink : Uq is operating point dependent. Auxiliary capacity: Cb must be set by trial and error. Auxiliary resistance: Cb must be set by trial and error. Load Impedance: Is to be oriented on the measurement setup.

4.3. Untersuchung der Kapazitätskennlinie in einem Arbeitspunkt4.3. Investigation of the capacity characteristic in one working point

Da die Parametrierung von Schalterkapazitäten in Schaltermodellen relativ problematisch ist, wurde der Schwerpunkt der Arbeit „Parameterextraktion einer Niedervolt Trench Gate MOSFET-Halbbrücke und Nachbildung in einem zustandsgesteuerten Verhaltensmodell" auf die Bestimmung und Verifikation von Schalterkapazitäten, vor allem von der Rückwirkungskapazität gelegt. Das Unterkapitel 4.3. soll die Plausibilität der in Kapitel 3 – Ermittlung der Kapazitäten mittels transienter Analyse – bestimmten Kennlinien verdeutlichen. Die Untersuchungen wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit als letztes durchgeführt. Die Ergebnisse sind deshalb auf dem höchsten Erkenntnisstand. Das bedeutet, dass sowohl eine Offsetkorrektur des Gatestromes der verwendeten Messdaten vorgenommen wurde als auch die parasitären Elemente berücksichtigt wurden. In Unterkapitel 3.8. – Modellvorstellung der Schalterkapazitäten fair die Simulation – ist bereits erläutert worden, dass die Gatekapazität für das dokumentierte Schaltermodell ET3g als konstant angesehen werden soll. Für konstante Kapazitäten gelten folgende Gleichungen

Figure 00790001
Since the parameterization of switch capacities in switch models is relatively problematic, the focus of the work "Parameter extraction of a low-voltage Trench Gate MOSFET half-bridge and simulation in a state-controlled behavioral model" has been focused on the determination and verification of switch capacitance, especially of the retroactivity The aim of this study is to clarify the plausibility of the characteristics determined in Chapter 3 - Determining the Capacities by means of Transient Analysis - The investigations were carried out last in the present work, which means that the results are at the highest level of knowledge, which means that both offset correction of the gate current the measured data used was taken as well as the parasitic elements were taken into account In subchapter 3.8 - model concept of the switch capacitances fair the simulation - has already been explained that the gate capacitance for the documented switch model ET3g should be regarded as constant. For constant capacities, the following equations apply
Figure 00790001

Letztere wurde bei der Modellierung des Gatekreises verwendet (vgl. Abschnitt 4.1.5. – Modellierung des Gatekreises – Gleichung (4.15)). Weiterhin wurde dargelegt, dass sämtliche Nichtlinearitäten in die Rückwirkungskapazität gesteckt werden. Dass es bezüglich des resultierenden Stromes durch eine nichtlineare Kapazität keinen Unterschied macht, ob die differentielle Kapazität oder die Großsignalkapazität angesetzt wird, ist in Unterkapitel 3.2 – Nichtlineare Kapazität – Großsignal- und Kleinsignalkapazität – gezeigt worden. Da die Stromgleichung der differentiellen Kapazität eine einfachere Struktur hat (vgl. Abschnitt 3.2. Gleichung (3.2)), wurde sie bei der Modellierung des Verschiebe- bzw. Koppelstromes durch die Rückwirkungskapazität verwendet (vgl. Abschnitt 4.1.6. – Modellierung der Drain-Gate-Kapazität – Gleichung (4.19)).Latter was used in the modeling of the gate circuit (see section 4.1.5. - Modeling the gate circuit - Equation (4.15)). Furthermore, it was shown that all nonlinearities be put into the reaction capacity. That it is related to the resulting current through a nonlinear capacity does not matter if the differential capacitance or the large signal capacity is stated in subsection 3.2 - Nonlinear Capacitance - large signal and small signal capacity - shown Service. As the current equation of the differential capacitance has a simpler structure (see Section 3.2, Equation (3.2)) in the modeling of the displacement or coupling current through the reaction capacity is used (see section 4.1.6. - Modeling the drain-gate capacitance - Equation (4.19)).

141 entspricht im Wesentlichen 119. Unterschiede in den beiden Abbildungen ergeben sich lediglich aus der Offsetkorrektur des gemessenen Gatestromes und der Berücksichtigung der parasitären Elemente. Weiterhin wurden nicht nur die Ein- sondern auch die Ausschaltkennlinien der Kapazitäten CrssLS und CissLS dargestellt. Die Ausschaltkennlinien spielen bei der Simulation normalerweise die größere Rolle, da die Ausschaltverluste den größten Anteil an den Schaltverlusten haben. 141 (Vergleich Großsignaleingangs- und -rückwirkungskapazität in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung (IL = 150 A; RG = 180 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V)) ist Grundlage für die Bestimmung des Wertes der Gatekapazität zur Parametrierung des Schaltermodells. Die Differenz der beiden Ausschaltkapazitätskennlinien liegt während der Stromkommutierung zwischen 6,6 und 6 nF (vgl. 142 – Differenz CiSSLS(off) – CrssLS(off) in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung). Demzufolge sollte die Gatekapazität mit einem Wert in diesem Bereich belegt werden. 141 essentially corresponds 119 , Differences in the two figures result only from the offset correction of the measured gate current and the consideration of the parasitic elements. Furthermore, not only the input but also the switch-off characteristics of the capacities Crss LS and Ciss LS were shown. The turn-off characteristics usually play a greater role in the simulation, since the turn-off losses have the largest share of the switching losses. 141 (Comparison of large signal input and response capacitance as a function of the gate-source voltage (I L = 150 A, R G = 180 Ω, T j = 25 ° C and V DC link = 30 V)) is the basis for determining the value the gate capacitance for the parameterization of the switch model. The difference of the two Ausschaltkapacitätskennlinien lies during the current commutation between 6.6 and 6 nF (see. 142 - CiSS LS (off) difference - Crss LS (off) as a function of the gate-source voltage). As a result, the gate capacitance should be populated with a value in this range.

Zur Parametrierung der Rückwirkungskapazität wird nun aufgrund der Abhängigkeit der Kennlinie von der Schaltgeschwindigkeit im Bereich der Zwischenkreisspannung die Ausschaltkennlinie der differentiellen Kapazität Crssdiff(RG = 10 Ω) gewählt, da in diesem Unterkapitel nur die Schaltverläufe für die Nennbetriebsbedingungen (IL = 150 A; RG = 10 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V) betrachtet werden. Bei den Untersuchungen im Unterabschnitt 3.5.2.2. – Differentielle Rückwirkungskapazität Crssdiff(RG) – wurde der Gatestrom nicht korrigiert. Deshalb wird die Kennlinie noch einmal für einen Widerstand von 10 Ω ermittelt und mittels TableCurve 2D gefittet. Die 143 (Polynomapproximation der Ladungskurve (IL = 150 A; RG = 10 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V)) zeigt dazu zunächst, wie die Ladungskurve Qr(off) gefittet wurde. 144 vergleicht dann die gefittete Ladungskurve Qrfitt und die daraus ermittelte differentielle Kapazität Crssdiff_fit mit der aus den Messdaten bestimmten Ladungskurve Qr und der daraus kalkulierten differentiellen Kapazität Crssdiff. Schließlich stellen 145 (1. Variante der Polynomapproximation von Crssdiff_fit(IL = 150 A; RG = 10 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V)) und 146 (2. Variante der Polynomapproximation von Crssdiff_fit (IL = 150 A; RG = 10 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V)) zwei Varianten vor, wie die ermittelte Kapazitätskurve Crssdiff_fit durch ein Polynom approximiert werden kann. Die Variante 1 bildet die Rückwirkungskapazität bis zum Erreichen der Überspannungsspitze gut nach. Allerdings verdeutlicht 144 noch einmal, dass bei schnellen Schaltvorgängen, die differentielle Kapazität nach Erreichen der Überspannungsspitze viel kleiner ist als die Kapazitätswerte, die sich bei denselben Spannungen vor der Überspannungsspitze ergeben. Die Approximation der Kennlinie, wie sie in 146 dargestellt ist, könnte die sich ergebenden Fehler etwas mindern. Zwar ist die Rückwirkungskapazität nun nach Erreichen der Zwischenkreisspannung zunächst zu gering, die Abweichungen nach dem Erreichen der Überspannungsspitze sind hier jedoch geringer als in der Variante 1. Über mögliche Optimierungsvarianten der Kapazitätswahl in dem Bereich zwischen der Zwischenkreisspannung VDClink und Überspannungsspitze VDGmax sollten weiterführende Arbeiten Aussagen generieren.For the parameterization of the feedback capacitance, the switch-off characteristic of the differential capacitance Crss diff (R G = 10 Ω) is chosen because of the dependence of the characteristic on the switching speed in the area of the intermediate circuit voltage, since in this subchapter only the switching characteristics for the rated operating conditions (I L = 150 A R G = 10Ω , T j = 25 ° C and V DClink = 30V ). For the investigations in subsection 3.5.2.2. - Differential reaction capacity Crss diff (R G ) - the gate current was not corrected. Therefore, the characteristic is again determined for a resistance of 10 Ω and using TableCurve 2D fitted. The 143 (Polynomial approximation of the charge curve (I L = 150 A, R G = 10 Ω, T j = 25 ° C and V DClink = 30 V)) first shows how the charge curve Qr (off) was fitted. 144 then compares the fitted charge curve Qr fitt and the differential capacitance Crss diff_fit determined therefrom with the charge curve Qr determined from the measured data and the differential capacitance Crss diff calculated therefrom. Finally ask 145 (1st variant of the polynomial approximation of Crss diff_fit (I L = 150 A, R G = 10 Ω, T j = 25 ° C and V DClink = 30 V)) and 146 (2nd variant of the polynomial approximation of Crss diff_fit (I L = 150 A, R G = 10 Ω, T j = 25 ° C and V DClink = 30 V)), two variants are available, as the determined capacitance curve Crss diff_fit approximates by a polynomial can be. Variant 1 reproduces the reaction capacity until the overvoltage peak is reached. However, clarifies 144 Again, with fast switching, the differential capacitance after reaching the spike is much smaller than the capacitance values that result at the same voltages before the spike. The approximation of the characteristic, as shown in 146 shown, the resulting errors could reduce something. Although the reaction capacitance is initially too low after reaching the intermediate circuit voltage, the deviations after reaching the overvoltage peak are lower here than in variant 1. Further optimization of the capacity selection in the region between the intermediate circuit voltage V DClink and the overvoltage peak V DGmax should be pursued Generate statements.

Nachfolgend werden erste Ergebnisse der Simulation dokumentiert und kurz kommentiert (147 (Vergleich der gemessenen und simulierten Ausschaltverläufe (IL = 150 A; RG = 10 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V mit CGS = 6 nF und Crssdiff_fit (Variante 1)) und 148 (Vergleich der gemessenen und simulierten Ausschaltverläufe (IL = 150 A; RG = 10 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V) mit CGS = 6 nF und Crssd iff_fit (Variante 2))). Das Schaltermodell wurde mit den in Unterkapitel 4.2. – Parametrierung des Schaltermodells im Tiefsetzsteller – angegebenen Parametern belegt. Die Schalterkapazitäten wurden entsprechend der Bezeichnungen der Abbildungen gewählt. Zunächst sollen – aufgrund ihrer Bedeutung für die Schaltverluste – die Ausschaltverläufe betrachtet werden. Die Simulationsergebnisse sind erstaunlich gut. Auch unterscheiden sich die Strom- und Spannungsverläufe der beiden Approximationsvarianten der differentiellen Rückwirkungskapazität nicht wesentlich voneinander. Der Verlauf der simulierten Gate-Source-Spannung macht jedoch deutlich, dass die Modellierung und Parametrierung des Gatekreises noch durch die Berücksichtigung von zusätzlichen parasitären Induktivitäten, Widerständen und Kapazitäten verbessert werden kann [28]. Überdies scheint die Zeitkonstante im Gatekreis während der Stromkommutierung zu groß gewählt zu sein. Mögliche Ursache sollen im Rahmen dieser Arbeit nur genannt, nicht jedoch weiter untersucht werden:

  • • Der (konstante) Gatewiderstand spiegelt die ohmschen Verhältnisse im Gatekreis nicht richtig wider.
  • • Die Rückwirkungskapazität ist in diesem Bereich zu groß.
  • • Die Gatekapazität CGS ist zu groß.
The first results of the simulation are documented and briefly commented on ( 147 (Comparison of the measured and simulated switch-off characteristics (I L = 150 A, R G = 10 Ω, T j = 25 ° C and V DClink = 30 V with C GS = 6 nF and Crss diff_fit (Variant 1)) and 148 (Comparison of the measured and simulated switch-off characteristics (I L = 150 A, R G = 10 Ω, T j = 25 ° C and V DClink = 30 V) with C GS = 6 nF and Crss d iff_fit (variant 2))). The switch model was compared with those in subchapter 4.2. - Parameterization of the switch model in the buck converter - assigned parameters. The switch capacities were chosen according to the terms of the pictures. First, due to their importance for the switching losses, the turn-off characteristics are to be considered. The simulation results are amazingly good. Also, the current and voltage curves of the two approximation variants of the differential feedback capacitance do not differ significantly from each other. The course of the simulated gate-source voltage, however, makes it clear that the modeling and parameterization of the gate circuit can be improved by considering additional parasitic inductances, resistances and capacitances [28]. Moreover, the time constant in the gate circuit seems to be too large during current commutation. Possible causes should only be mentioned in the context of this thesis, but not further investigated:
  • • The (constant) gate resistance does not correctly reflect the ohmic conditions in the gate circuit.
  • • The reaction capacity is too large in this area.
  • • The gate capacitance C GS is too large.

Generell sollte – falls weitere Verbesserungen der Simulation angestrebt werden – zuerst die Modellierung des Gatekreises neu überdacht und dann entsprechende Untersuchungen durchgeführt werden.As a general rule should - if further improvements of the simulation are desired - first, the modeling of the gate circuit is reconsidered and then carry out appropriate investigations.

Die Einschaltverläufe sind in den Abbildungen 149 (Vergleich der gemessenen und simulierten Verläufe (IL = 150 A; RG = 10 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V) mit CGS = 6 nF und Crssdiff_fit (Variante 1) – optimierte maximale Drainstromstärke) und 150 (Vergleich der gemessenen und simulierten Verläufe (IL = 150 A; RG = 10 Ω; Tj = 25°C und VDClink = 30 V) mit CGS = 6 nF und Crssdiff_fit (Variante 1) – optimiertes Aufsteuerverhalten) dargestellt. Der Unterschied in den beiden Abbildungen ergibt sich durch die Einstellung der Diodenzeitkonstanten Td und Trr. Sie wurden für den dargestellten Einschaltverlauf so eingestellt, dass entweder der maximale Drainstrom oder der Aufsteuereffekt nach dem Rückstromabriss der zugehörigen Freilaufdiode so gut wie möglich nachgebildet wurde. Es konnten keine Werte für die Diodenzeitkonstanten gefunden werden, die sowohl den maximalen Drainstrom als auch das Aufsteuern genau simulieren. Ursachen dafür können wieder sowohl in der Modellierung und Parametrierung des Gatekreises liegen, aber auch in der primitiven Modellierung der Diode. Die Einschaltverläufe sind nur mit der Variante 1 der differentiellen Rückwirkungskapazität Crssdiff_fit simuliert worden, da die entsprechenden Untersuchungen im Abschnitt 3.5.4. – Vergleich der Rückwirkungskapazität beim Ein- und Ausschalten – verdeutlicht haben, dass sich die Kapazitätskennlinien beim Ein- und Ausschalten unterscheiden. So geht die Kennlinie zum einem nicht über VDG = VDClink hinaus. Zum anderen ist es relativ leicht, anhand des Ladungsverlaufs Qr(on) (vgl. beispielsweise die in Abschnitt 3.5.4. erläuterten Abbildungen) abzuschätzen, dass die Einschaltkapazitätskennlinie Crssdiff(on) zwischen VDG = VDS(off) = VDClink und dem Beginn der Stromkommutierung, aufgrund des relativ geringen Anstieges der Drain-Gate-Spannung in diesem Bereich beim Einschalten, über der Ausschaltkennlinie Crssdiff(off) liegt. Für verbesserte Simulationsverläufe sollte deshalb darüber nachgedacht werden, für das Ein- und Ausschalten eventuell verschiedene Kennlinien in den Simulator zu integrieren. Im Rahmen dieser Arbeit wird jedoch darauf verzichtet. Es soll außerdem davon abgesehen werden, die differentielle Kapazität Crssdiff(on) für die in diesem Unterkapitel untersuchten Betriebsbedingungen zu bestimmen. Zusammenfassend lässt sich jedoch für die simulierten Einschaltverläufe feststellen, dass sie den Messverläufen erstaunlich ähnlich sehen. Die Simulationsergebnisse des parametrierten Tiefsetzstellers sind in Form von Strom- und Spannungsverläufen in Abhängigkeit von der Zeit in den Abbildungen 147, 148, 149 und 150 dargestellt. Zur Verbesserung der Kapazitätsmodellvorstellung wäre es jedoch zusätzlich interessant, welche Kapazitätsverläufe sich in Abhängigkeit von der zugehörigen Spannung ergeben würden, wenn die simulierten Messdaten auf dieselbe Weise ausgewertet würden, wie die Messdaten. Deshalb wird für je einen Arbeitspunkt die Großsignalrückwirkungskapazität CrssLS(VDG) und die Großsignaleingangskapazität CrssLS(VGS) ausgewertet und mit den entsprechenden Verläufen, die sich aus den Messdaten ergeben haben, verglichen. 151 (Simulierte Großsignaleingangskapazität und Ladungsverlauf in Abhängigkeit von der Gate-Source-Spannung) und 152 (Simulierte Großsignalrückwirkungskapazität und Ladungsverlauf in Abhängigkeit von der Drain-Gate-Spannung) zeigen dazu zunächst die Auswertung der Simulationsdaten. Dabei ist CissLS(VGS) bei folgenden Simulationsparametern ermittelt worden: Laststrom IL = 150 A; Gatevorwiderstand RG = 180 Ω, und Zwischenkreisspannung VDClink = 30 V. (Für die Parametrierung der Rückwirkungskapazität wurde die Variante 1 in 145 verwendet.) CrssLS(VDG) wurde dagegen bei IL = 150 A; RG = 180 Ω, und VDClink = 30 V bestimmt. Mit den dazugehörigen Messdaten (Tj = 25°C) wurden die Kapazitätskennlinien in den Abbildungen 153 (Vergleich der Kapazität CrssLS_sim(VDGchip) von korrigierten simulierten Messverläufen mit der Eingangskapazität CrssLS_mess(VDGchip) von korrigierten Messverläufen) und 154 (Vergleich der Kapazität CrssLS_sim(VDGchip) von korrigierten simulierten Messverläufen mit der Kapazität CrssLS_mess(VDGchip) von korrigierten Messverläufen) miteinander verglichen. Beim Betrachten der Abbildungen 151 und 152 fällt zunächst einmal auf, dass die charakteristischen Kurvenverläufe der beiden Kapazitäten relativ gut nachgebildet werden. Der direkte Vergleich mit den dazugehörigen Messdaten verdeutlicht jedoch zugleich einige Mängel des Modells. So liegen die aus den Simulationsdaten ermittelten Kennlinien tendenziell unter denjenigen, die aus den Messdaten ergaben.The switch-on characteristics are in the pictures 149 (Comparison of the measured and simulated curves (I L = 150 A, R G = 10 Ω, T j = 25 ° C and V DClink = 30 V) with C GS = 6 nF and Crss diff_fit (variant 1) - optimized maximum drain current ) and 150 (Comparison of the measured and simulated curves (I L = 150 A, R G = 10 Ω, T j = 25 ° C and V DClink = 30 V) with C GS = 6 nF and Crss diff_fit (variant 1) - optimized open-loop behavior) shown. The difference in the two figures results from the setting of the diode time constants T d and T rr . They were set for the turn-on process shown so that either the maximum drain current or the Aufsteuereffekt after the reverse current tear of the associated freewheeling diode was emulated as well as possible. No values for the diode time constants could be found which accurately simulate both the maximum drain current and the open-loop. Causes for it can be again Both in the modeling and parameterization of the gate circuit, but also in the primitive modeling of the diode. The switch-on characteristics were simulated only with variant 1 of the differential reaction capacity Crss diff_fit , since the corresponding investigations in section 3.5.4. - Comparison of the reaction capacity on switching on and off - have shown that the capacitance characteristics differ when switching on and off. For one thing , the characteristic does not go beyond V DG = V DClink . On the other hand, it is relatively easy to estimate from the charge curve Qr (on) (see, for example, the diagrams explained in section 3.5.4.) That the turn-on capacitance characteristic Crss diff (on) between V DG = V DS (off) = V DClink and the beginning of the current commutation, due to the relatively small increase of the drain-gate voltage in this region at turn-on, is above the turn-off characteristic Crss diff (off) . For improved simulation processes, it should therefore be considered to integrate different characteristics into the simulator for switching on and off. In the context of this work, however, is waived. It should also be refrained from determining the differential capacitance Crss diff (on) for the operating conditions examined in this subchapter. In summary, however, it can be seen for the simulated switch-on characteristics that they look surprisingly similar to the measurement curves. The simulation results of the parameterized buck converter are in the form of current and voltage curves as a function of time in the figures 147 . 148 . 149 and 150 shown. In order to improve the capacity model conception, however, it would also be interesting to see which capacity curves would result depending on the associated voltage if the simulated measurement data were evaluated in the same way as the measurement data. Therefore, for each operating point, the large signal feedback capacity Crss LS (V DG ) and the large signal input capacitance Crss LS (V GS ) are evaluated and compared with the corresponding courses resulting from the measured data. 151 (Simulated large signal input capacitance and charge curve as a function of the gate-source voltage) and 152 (Simulated large-signal reaction capacity and charge curve as a function of the drain-gate voltage) first show the evaluation of the simulation data. Ciss LS (V GS ) was determined for the following simulation parameters: load current I L = 150 A; Gate resistor R G = 180 Ω, and DC link voltage V DClink = 30 V. (For the parameterization of the feedback capacitance , variant 1 in 145 used.) Crss LS (V DG ), on the other hand, was at I L = 150 A; R G = 180Ω , and V DClink = 30V . With the associated measurement data (T j = 25 ° C), the capacitance characteristics were shown in the figures 153 (Comparison of the capacitance Crss LS_sim (VDGchip) of corrected simulated measurement curves with the input capacitance Crss LS_mess (V DGchip ) of corrected measurement curves ) and 154 (Comparison of the capacity Crss LS_sim (V DGchip ) of corrected simulated measurement curves with the capacity Crss LS_mess (V DGchip ) of corrected measurement curves ). While looking at the pictures 151 and 152 First of all, it is striking that the characteristic curves of the two capacitors are reproduced relatively well. However, the direct comparison with the associated measurement data also illustrates some shortcomings of the model. Thus, the characteristics determined from the simulation data tend to be lower than those resulting from the measured data.

154 würde zumindest erklären, warum die Spannungskommutierung beim Ein- und Ausschaltern im Vergleich zu den Messdaten schneller ist (vgl. 147 und 149). Eine Begründung für die zu kleinen Zeitkonstanten im Gatekreis vor der Stromkommutierung beim Einschalten könnte dagegen 153 liefern. Beim Ausschalten sind diese Zeitkonstanten hingegen während der Stromkommutierung zu groß, obwohl die Eingangskapazitätskennlinie CissLS_sim, unter der Kennlinie CissLS_mess liegt. Das ist verwunderlich. Die Ursachenforschung bleibt jedoch künftigen Arbeiten vorbehalten. Die Abbildungen 153 und 154 könnten jedoch hierfür erste Anhaltspunkte liefern. 154 would at least explain why voltage commutation during switch-on and switch-off is faster in comparison to the measured data (cf. 147 and 149 ). A reason for the too small time constants in the gate circuit before Stromkommutierung when switching on, however, could 153 deliver. When you turn off these time constants, however, are too large during the current commutation, although the input capacitance characteristics Ciss LS_sim, is below the characteristic Ciss LS_mess. That's surprising. However, the cause research remains reserved for future work. The pictures 153 and 154 could, however, provide initial evidence for this.

Im Anschluss an die Betrachtungen dieses Unterkapitels sollen noch zwei Anmerkungen gemacht werden:

  • 1. Sowohl für das Ein- als auch das Ausschalten muss verdeutlicht werden, dass vermutlich weder die Mess- noch die Simulationsverläufe die tatsächlichen Verhältnisse vollkommen richtig widerspiegeln. Viel wahrscheinlicher ist es, dass die tatsächlichen Verläufe irgendwo zwischen Simulation und Messung liegen.
  • 2. Trotz aller Abweichungen und Fehler, die durch die einfache Modellvorstellung der Schalterkapazitäten entstehen, machen die Untersuchungen in diesem Unterkapitel deutlich, dass es zur Erzielung guter Simulationsergebnisse nicht notwendig ist, die Halbleiterphysik im Inneren der Schalter nachzubilden. Aus Messungen können Parameter bestimmt werden, die das Ergebnis dieser halbleiterphysikalischen Vorgänge sind und eine relativ exakte Parametrierung von zustandsgesteuerten Verhaltensmodellen ermöglichen.
Following the considerations of this subchapter, two further comments will be made:
  • 1. It must be made clear for both switching on and off that presumably neither the measurement nor the simulation progressions fully reflect the actual conditions. It is much more likely that the actual courses are somewhere between simulation and measurement.
  • 2. Despite all the deviations and errors that result from the simple modeling of the switch capacities, the investigations in this subchapter make it clear that in order to obtain good simulation results, it is not necessary to simulate the semiconductor physics inside the switches. From measurements, parameters can be determined that are the result of these semiconductor physical processes and allow a relatively accurate parameterization of state-controlled behavioral models.

4.4. Arbeitspunktuntersuchungen4.4. Bias studies

4.4.1. Definition von Kennwerten zur Bewertung der Simulation4.4.1. Definition of characteristic values for evaluation the simulation

Die Parametrierung des Schaltermodells erfolgte für einen schnell schaltenden Niedervolt Trench Gate MOSFET-Brückenzweig mit sehr niedrigem Einschaltwiderstand RDS(on) und integrierter Inversdiode. Die Bewertung des Modells mit den ermittelten Parameter für den Brückenzweig soll nicht durch den Vergleich der Strom- und Spannungsverläufe, sondern durch den Vergleich von Kennwerten erfolgen. Daraus resultiert eine objektivere Gegenüberstellung, die nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Aussagen ermöglicht. Die in MOSFET-Datenblättern angegebenen Schaltzeiten und Schaltenergien sind bei ohmscher Last definiert. Die Spannungs- und Stromverläufe bei rein ohmscher Last sind jedoch für die meisten Anwendungen nicht relevant. Auch ergeben sich bei ohmsch-induktiver Last deutlich andere Kurvenverläufe. Zur Beurteilung der Simulationsergebnisse des Schaltermodells werden deshalb entsprechend IGBT-Definitionen angewendet, um die Ein- und Ausschaltkennwerte aus den Simulations- und Messdaten zu bestimmen (vgl. 155 – Kenndaten des Transistors und Zustände und Umschaltbedingungen im Schaltzeitenmakro (SZM) und im Schaltenergiemakro (SEM)) und die Ergebnisse miteinander zu vergleichen.The parameterization of the switch model was carried out for a fast-switching low-voltage trench gate MOSFET bridge branch with very low on-resistance R DS (on ) and integrated inverse diode. The evaluation of the model with the determined parameters for the bridge branch should not be done by comparing the current and voltage curves, but by comparing characteristic values. This results in a more objective comparison, which allows not only qualitative, but also quantitative statements. The switching times and switching energies specified in MOSFET data sheets are defined for ohmic load. However, the voltage and current curves with purely ohmic load are not relevant for most applications. Also result in ohmic-inductive load significantly different curves. To evaluate the simulation results of the switch model, IGBT definitions are therefore used to determine the switch-on and switch-off characteristics from the simulation and measurement data (cf. 155 - Characteristics of the transistor and states and switching conditions in the switching time macro (SZM) and the switching energy macro (SEM)) and to compare the results with each other.

Einschaltkennwerte des TransistorsTurn-on characteristics of the transistor

Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Gate-Source-Spannung VGS 10% ihres Endwertes erreicht, und demjenigen, zu dem der Drainstrom ID auf 10% des Laststromes angestiegen ist, wird als Einschaltverzögerungszeit td(on) bezeichnet. Als Anstiegszeit tr wird die daran anschließende Zeitspanne bezeichnet, in der der Drainstrom von 10% auf 90% des Laststromes ansteigt. Die Summe aus Einschaltverzögerungszeit und Anstiegszeit wird als Einschaltzeit ton bezeichnet.The time interval between the time at which the gate-source voltage V GS reaches 10% of its final value and that at which the drain current I D has risen to 10% of the load current is referred to as the turn-on delay time t d (on) . The rise time t r denotes the subsequent period in which the drain current increases from 10% to 90% of the load current. The sum of turn-on delay time and rise time is referred to as on-time t on .

Die Einschaltverlustenergie Eon wird durch Integration der Einschaltverlustleistung Pon von Beginn der Einschaltzeit bis zu dem Zeitpunkt ermittelt, zu dem der Drainstrom nach dem Rückstromabriss gleich dem Laststrom wird. In der Einschaltverlustenergie ist deshalb auch der Einfluss der Rückstromspitze der Freilaufdiode enthalten.The turn- on loss energy E on is determined by integrating the turn- on power loss P on from the start of the turn-on time to the time when the drain current after the reverse current break becomes equal to the load current. The switch-on loss energy therefore also includes the influence of the reverse-current peak of the free-wheeling diode.

Ausschaltkennwerte des TransistorsTurn-off characteristics of the transistor

Das Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Gate-Source-Spannung VGS auf 90% ihres Einschaltendwertes abgefallen ist, und demjenigen, zu dem der Drainstrom ID auf 90% des Laststromes gesunken ist, wird als Ausschaltverzögerungszeit td(off) bezeichnet. Als Abfallzeit tf wird die anschließende Zeitspanne bezeichnet, in der der Drainstrom von 90% auf 10% des Laststromes abfällt. Die Ausschaltzeit toff ergibt sich als Summe aus Ausschaltverzögerungs- und Abfallzeit.The time interval between the time at which the gate-source voltage V GS has dropped to 90% of its Einschaltendwertes and that at which the drain current I D has fallen to 90% of the load current is referred to as off delay time t d (off) , The fall time t f is the subsequent period in which the drain current drops from 90% to 10% of the load current. The switch-off time t off is the sum of the switch-off delay and the fall time.

Die Ausschaltverlustenergie Eoff erfasst die Verluste vom Beginn der Ausschaltzeit bis zu dem Zeitpunkt, wo der Drainstrom ID ≈ 0,01·IL ist.The turn- off loss energy E off detects the losses from the start of the turn-off time to the time when the drain current I D ≈ 0.01 * I L.

Ausschaltkennwerte der DiodeTurn-off characteristics of the diode

Die Sperrverzögerungszeit trr wird im Rahmen dieser Arbeit definiert als die Zeit zwischen den beiden Diodenstromnulldurchgängen. Sie unterteilt sich entsprechend der Abbildung 156 (Kenndaten der Diode und Zustände und Umschaltbedingungen im Diodenkenndatenmakro (DKDM)) in Speicherzeit ts (In dieser Zeitspanne werden die Ladungsträger aus der Diffusionskapazität ausgeräumt.) und Abfallzeit tf (Während dieser Zeit wird die verbleibende Restladung, die hauptsächlich aus der Sperrschichtkapazität stammt, ausgeräumt.).The reverse recovery time t rr is defined in this work as the time between the two diode current zero crossings. It is divided according to the figure 156 (Characteristics of the diode and states and switchover conditions in the diode characteristic data macro (DKDM)) in storage time t s (during this period, the charge carriers are removed from the diffusion capacity.) And decay time t f (during this time, the remaining residual charge, which mainly comes from the junction capacitance , cleared out.).

Die Ausschaltverluste EoffD werden während der Abfallzeit durch Integration der Ausschaltverlustleistung PoffD ermittelt.The switch-off losses E offD are determined during the fall time by integration of the switch-off power loss P offD .

Weitere Kenndaten sind der maximale Rückwärtsstrom IRRM und die Sperrverzögerungsladung Qrr. Die Sperrverzögerungsladung ist definiert als die Ladung, welche während des Schaltvorganges durch den negativen Strom aus der Raumladungszone entfernt wird. Der Stromanstieg im Nulldurchgang diF/dt wird ermittelt zwischen +/– 25% des maximalen Rückstromes.Other characteristics are the maximum reverse current I RRM and the reverse recovery charge Q rr . The reverse recovery charge is defined as the charge that is removed from the space charge zone during the switching process by the negative current. The current increase at the zero crossing di F / dt is determined between +/- 25% of the maximum return current.

4.4.2. Tools zur Auswertung der Simulation4.4.2. Tools for evaluation of the simulation

Im Rahmen dieser Arbeit sind Auswertungsmakros entstanden, die es ermöglichen die definierten Kenndaten automatisiert während der Simulation aus den Strom- und Spannungsverläufen zu ermitteln. Umfangreiche Arbeitspunktuntersuchungen können so sehr effizient durchgeführt werden. Die Auswertungsmakros werden nachfolgend zu Dokumentationszwecken kurz erläutert.in the As part of this work, evaluation macros have emerged that make it possible The defined characteristics are automated during the simulation to determine from the current and voltage curves. extensive Operating point examinations can be carried out very efficiently become. The evaluation macros are for documentation purposes below briefly explained.

4.4.2.1. Schaltenergiemakro (SEM)4.4.2.1. Switching power macro (SEM)

Das Schaltenergiemakro hat die Eingänge

  • – Schalterstrom is,
  • – Schalterspannung us,
  • – Gate-Source-Spannung uGS,
  • – Laststrom iL und
  • – das Ansteuersignal X und die Ausgänge
  • – Einschaltverlustenergie Eon,
  • – Ausschaltverlustenergie Eoff und
  • – Zustand des Schaltenergiemakros str.
The switching power macro has the inputs
  • - switch current is,
  • - switch voltage us,
  • Gate-source voltage u GS ,
  • - load current i L and
  • - The drive signal X and the outputs
  • - switch-on loss energy E on ,
  • - Turn-off power E off and
  • - condition of the switching power macro str.

157 zeigt die Strukturen und Umschaltbedingen des Schaltenergiemakros (vgl. auch 155). Die Einschaltverluste werden folglich in den Zuständen 1 und 2 ermittelt:

Figure 00860001
157 shows the structures and Umschaltbedingen the Schaltergiemakros (see also 155 ). The switch-on losses are therefore determined in states 1 and 2:
Figure 00860001

Die Ausschaltverlustenergie wird in Zustand 4 berechnet:

Figure 00860002
The switch-off loss energy is calculated in condition 4:
Figure 00860002

Dazu muss die Treiberspannung VDr vorgegeben werden. Die Integrationsgrenzen (IG) können bei Anwendung anderer Definitionen über die folgenden Faktoren angepasst werden:

  • – ugs_OGW_SEM: Modifikation der unteren IG von Eoff,
  • – ugs_UGW_SEM: Modifikation der unteren IG von Eon und
  • – is_UGW_SEM: Modifikation der oberen Integrationsgrenze von Eon.
For this purpose, the driver voltage V Dr must be specified. The integration limits (IG) can be adjusted using other definitions using the following factors:
  • - ugs_OGW_SEM: modification of the lower I G of E off ,
  • - ugs_UGW_SEM: Modification of the lower I G of E on and
  • - is_UGW_SEM: Modification of the upper integration limit of E on .

In Zustand 0 ist der Transistor aus- und in Zustand 3 eingeschaltet, sodass hier keine Anteile der Schaltverluste ermittelt werden. Das Schaltenergiemakro kann außerdem durch eine geeignete Auswahl der Inputgrößen die Verluste aus den simulierten Chip- und Messgrößen ermitteln und so im Vergleich zur realen Messung zusätzliche Informationen generieren.In State 0, the transistor is off and on in state 3, so that no shares of the switching losses are determined here. The Schaltergiemakro can also by a suitable selection the inputs sizes the losses from the simulated ones Determine chip and measured quantities and so in comparison Generate additional information for real measurement.

4.4.2.2. Schaltzeitenmakro (SZM)4.4.2.2. Switching time macro (SZM)

Das SZM hat dieselben Eingänge wie das Schaltenergiemakro und folgende Ausgänge:The Tractor has the same inputs as the switching power macro and following outputs:

  • – Einschaltverzögerungszeit td(on), - switch-on delay time t d (on),
  • – Anstiegszeit tr,Risetime t r ,
  • – Ausschaltverzögerungszeit td(off) - switch-off delay time t d (off)
  • – Abfallzeit tf und- Fall time t f and
  • – Zustand des Schaltzeitenmakros str.- Status of the switching time macro str.

158 zeigt die Zustände und Umschaltbedingen des Schaltzeitenmakros (vgl. 155). 158 shows the states and switching conditions of the switching time macro (cf. 155 ).

Die Einschaltverzögerungszeit wird in Zustand 1:

Figure 00860003
die Anstiegszeit in Zustand 2:
Figure 00860004
die Ausschaltverzögerungszeit in Zustand 4:
Figure 00860005
und die Abfallzeit in Zustand 5:
Figure 00870001
ermittelt. Dazu muss die Treiberspannung VDr vorgegeben werden. Die Integrationsgrenzen (IG) können bei Anwendung anderer Definitionen über die folgenden Faktoren verändert werden:

  • – ugs_OGW_SZM: Modifikation der unteren IG von td(off),
  • – ugs_UGW_SZM: Modifikation der unteren IG von td(on),
  • – is_OGW_SZM: Modifikation der oberen IG von tr und td(off) und
  • – is_UGW_SZM: Modifikation der oberen IG von td ( on ) und tf bzw. Modifikation der unteren IG von tr.
The switch-on delay time is in state 1:
Figure 00860003
the rise time in state 2:
Figure 00860004
the off-delay time in state 4:
Figure 00860005
and the fall time in state 5:
Figure 00870001
determined. For this purpose, the driver voltage V Dr must be specified. The integration limits (IG) can be changed using other definitions using the following factors:
  • - ugs_OGW_SZM: Modification of the lower IG of t d (off) ,
  • - ugs_UGW_SZM: Modification of the lower IG of t d (on) ,
  • - is_OGW_SZM: modification of the upper IG of t r and t d (off) and
  • - is_UGW_SZM: Modification of the upper IG of t d ( on ) and t f or modification of the lower IG of t r .

In den Zuständen 0 und 3 erfolgt keine Berechnung. Sie dienen lediglich als Übergang bis zum nächsten Schaltvorgang.In the states 0 and 3 are not calculated. They serve just as a transition to the next switching operation.

4.4.2.3. Diodenkenndatenmakro (DKDM)4.4.2.3. Diode Characteristic Macro (DKDM)

Das Diodenkenndatenmakro hat die EingängeThe Diode code macro has the inputs

  • – Schalterstrom is,- switch current is,
  • – Schalterspannung us,- switch voltage us,
  • – Messspannung vds- measuring voltage vds
  • – Laststrom iL und- load current i L and
  • – das Signal XR und die Ausgänge- the signal X R and the outputs
  • – Speicherzeit ts,Storage time t s ,
  • – Abfallzeit tf,- fall time t f ,
  • – Sperrverzögerungszeit trr,- reverse delay time t rr ,
  • – Rückstromspitze IRRM,Reverse current I RRM ,
  • – Sperrverzögerungsladung Qrr,Reverse recovery charge Q rr ,
  • – Stromanstieg im Nulldurchgang di/dt,- current increase at the zero crossing di / dt,
  • – Ausschaltverlustenergie EoffD bzw. EoffDchip und- Off loss energy E offD or E offDchip and
  • – Zustand des Diodenkenndatenmakros str.- Status of the diode data macro str.

159 zeigt die Zustände und Umschaltbedingen des Diodenkenndatenmakros (vgl. auch 156). Mit dem Deltagrenzwert i1_DGW_didt kann der Bereich, in dem der Stromanstieg im Nulldurchgang bestimmt wird, eingestellt werden. Er bezieht sich auf den Laststrom iL. Da der Bereich laut Definition jedoch auf die Rückstromspitze bezogen wird, muss das Verhältnis von IRRM zu iL einkalkuliert werden: il_DGW_didt = 0,25·IRRM/iL· (4.42) 159 shows the states and switching conditions of the diode characteristic data macro (also see 156 ). The delta limit value i1_DGW_didt can be used to set the range in which the current increase at the zero crossing is determined. It refers to the load current i L. However, as the range is by definition related to the reverse current peak, the ratio of I RRM to i L must be taken into account: il_DGW_didt = 0.25 · I RRM / i L · (4.42)

ZR ist ein logisches, außerhalb vom DKDM erzeugtes Signal, mit dessen Hilfe der Beginn (ZR = 1) des Rückstromabrisses ermittelt wird. Es kann aus den Zuständen des Schalter modells erzeugt werden, in dem der Zustand des als Freilaufdiode fungierenden Schalters durch 4 geteilt und das entstehende Signal als Eingang von XR verwendet wird. Die 4 begründet sich darin, dass das Schaltermodell zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses in den Zustand 4 übergeht. Somit ist zu diesem Zeitpunkt XR = 1 und die Strukturumschaltung im DKDM von Zustand 5 in Zustand 6 kann erfolgen.Z R is a logical signal generated outside of the DKDM, with the aid of which the beginning (Z R = 1) of the reverse current breakdown is determined. It can be generated from the states of the switch model, in which the state of the acting as a freewheeling diode switch divided by 4 and the resulting signal is used as the input of X R. 4 is based on the fact that the switch model transitions to state 4 at the time of the reverse current demolition. Thus, at this time, X R = 1, and the structure switching in the DKDM from state 5 to state 6 can be made.

Die Kenndaten werden mit Hilfe der folgenden Gleichungen ermittelt:

Figure 00880001
The characteristics are determined using the following equations:
Figure 00880001

Die Zustände 0 und 1 sind Hilfszustände, deren Zweck vorrangig drin besteht, das Makro, das durch eine äußere Beschaltung zu jedem beliebigen Zeitpunkt eingeschaltet werden kann, definiert in den Bereich zu bringen, wo die Diode leitend ist, um dann die Kenndaten während des anschließenden Ausschaltens der Diode zu ermitteln. Die Zustande 0 und 1 haben jedoch keinen Einfluss auf die Ermittlung der Kenndaten. Der Zustand 2 dient der Bestimmung des Schalterstromes zum Zeitpunkt t4. Die etwas umständliche Ermittlung der Stromdifferenz ΔI liegt in denn überarbeitungsbedürftigen Sample&Hold-Makro begründet.The states 0 and 1 are auxiliary states whose purpose is primarily to bring the macro, which can be switched on by an external circuit at any time, defined in the range where the diode is conducting, and then the characteristics during the subsequent Turn off the diode to determine. However, states 0 and 1 have no influence on the determination of the characteristic data. State 2 is used to determine the switch current at time t 4 . The somewhat cumbersome determination of the current difference .DELTA.I is due to the need for revision Sample & Hold macro.

4.4.3. Auswertung der Simulation und Vergleich mit den Messdaten4.4.3. Evaluation of the simulation and comparison with the measured data

Mit den dokumentierten Auswertungstools (vgl. Kapitel 4.4.2. – Tools zur Auswertung der Simulation) wurde unter Einbindung der in 160 dargestellten Crss-Kennlinie eine umfangreiche Arbeitspunktuntersuchung mit verschiedenen Gatewiderständen RG und Drainstromstärken ID beim Ein- und Ausschalten durchgeführt. Diese Kennlinie wird während des Einschaltens von rechts nach links und während des Ausschaltens entsprechend von links nach rechts durchlaufen. Es muss an dieser Stelle deutlich gemacht werden, dass die vorliegende Arbeit das Resultat eines iterativen Prozesses darstellt. So ist die im Simulator für diese Untersuchung verwendete Kennlinie durch eine erste Messdatenauswertung entstanden und wurde durch Probieren so modifiziert, dass die bei VDClink = 30 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω und Tj = 25°C gemessenen Schaltverläufe bestmöglich nachgebildet werden.With the documented evaluation tools (see chapter 4.4.2 - Tools for Evaluation of the Simulation) the integration of the in 160 Crss characteristic curve shown a comprehensive operating point investigation with different gate resistors R G and drain current strengths I D when switching on and off performed. This characteristic is traversed from right to left during switch-on and from left to right during switch-off. It must be made clear at this point that the present work is the result of an iterative process. Thus, the characteristic curve used in the simulator for this investigation was created by a first measurement data evaluation and was modified by sampling so that those measured at V DClink = 30 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω and T j = 25 ° C Switching curves are emulated as best as possible.

161 (Einschalten des MOSFETs mit VDClink = 30 V, h, = 150 A, RG = 10 Ω und TJ = 25°C) und 162 (Ausschalten des MOSFETs mit VDClink = 30 V, IL, = 150 A, RG = 10 Ω und TJ = 25°C) zeigen die Ergebnisse dieser Modifikation. Ausgehend von der entstandenen Kennlinie und den Simulationsergebnissen, erfolgte danach die theoretische Aufarbeitung, die im Kapitel 3 ausführlich dargelegt ist. Bei der nachfolgenden Interpretation der Ergebnisse werden diese zwar teilweise berücksichtigt, auf eine erneute Arbeitspunktuntersuchung unter Berücksichtigung der neuen Erkenntnisse wird jedoch aus Zeitgründen verzichtet 161 ( Turning on the MOSFET with V DClink = 30 V, h, = 150 A, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C) and 162 ( Turning off the MOSFET with V DClink = 30V , I L , = 150A , R G = 10Ω and T J = 25 ° C) show the results of this modification. Based on the resulting characteristic and the simulation results, the theoretical work-up followed, which is explained in detail in Chapter 3. In the subsequent interpretation of the results, these are partly taken into account, but a renewed operating point analysis taking into account the new findings is omitted for reasons of time

Bezug nehmend auf 161, muss auch darauf hingewiesen werden, dass die beiden Diodenzeitkonstanten durch zeitaufwendiges Übereinanderlegen von Messung und Simulation bestimmt worden sind. Bei der nachfolgenden Auswertung werden deshalb die Diodenzeitkonstanten durch eine in Unterabschnitt 4.4.3.2 beschriebene Prozedur unter zur Hilfenahme der Auswertemakros ermittelt. Die Zeitkonstanten weichen deshalb für den Arbeitspunkt VDClink = 30 V, IL, = 150 A, RG = 10 Ω und TJ = 25°C von den für diese Abbildungen verwendeten ab. Die entwickelte Prozedur ist nicht nur weniger zeitaufwendig, sie verhindert auch, dass durch endloses (und sinnloses) Probieren die Zeitkonstanten so eingestellt werden, dass die Simulationsverläufe den Messverläufen angepasst werden.Referring to 161 , it must also be pointed out that the two diode time constants have been determined by time-consuming superimposition of measurement and simulation. In the subsequent evaluation, therefore, the diode time constants are determined by a procedure described in subsection 4.4.3.2 below with the aid of the evaluation macros. The time constants therefore deviate for the operating point V DClink = 30 V, I L , = 150 A, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C from those used for these figures. The developed procedure is not only less time consuming, it also prevents the time constants from being set by endless (and meaningless) testing in such a way that the simulation progresses Be adjusted to measuring gradients.

Die im Abschnitt 4.4.1. definierten Kennwerte wurden sowohl aus der Messung als auch aus der Simulation ermittelt und sind nachfolgenden Unterabschnitten in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG und dem Drainstrom ID für das Ein- und Ausschalten gegenübergestellt. Generell gilt für die Beschriftung der Kennlinien in den Abbildungen:

  • • Der Index „mess" steht für die tatsächlich gemessenen Verläufe. Die Messdaten sind fast ausschließlich am unteren Schalter generiert worden. Ist das nicht der Fall, wird darauf gesondert hingewiesen.
  • • Die Indizes „1" und „2" beziehen sich grundsätzlich auf die Simulation der Messgrößen und die daraus ermittelten Kennwerte. „1" symbolisiert den oberen Schalter, „2" den unteren MOSFET in der Tiefsetzstellerschaltung (vgl. Abschnitt 4.2.3).
  • • Bei den Schaltverlusten werden die aus den simulierten Messgrößen ermittelten Werte denen gegenübergestellt, die aus den simulierten Chipgrößen bestimmt wurden.
  • Letztere erhalten dann die Indizes „chip1" und „chip2", wobei „1" bzw. „2" wieder für den oberen bzw. den unteren Schalter steht.
The in section 4.4.1. defined characteristic values were determined both from the measurement and from the simulation and are compared with the following subsections as a function of the gate resistance R G and the drain current I D for switching on and off. In general, the labeling of the characteristic curves in the figures applies:
  • • The index "mess" stands for the actually measured gradients The measured data was almost exclusively generated at the lower switch, if not, it will be pointed out separately.
  • • The indices "1" and "2" basically refer to the simulation of the measured quantities and the characteristic values determined from them. "1" symbolizes the upper switch, "2" the lower MOSFET in the step-down converter circuit (see section 4.2.3).
  • • In the case of switching losses, the values determined from the simulated measured variables are compared with those determined from the simulated chip sizes.
  • The latter then receive the indices "chip1" and "chip2", where "1" or "2" again stands for the upper or the lower switch.

Besondere Bedeutung bekommen bei den Untersuchungen die Ausschaltparameter, denn diese verursachen den größeren Anteil an den Schaltverlusten. Um diese Aussage zu bekräftigen, werden für den Arbeitspunkt VDClink = 30 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω und TJ = 25°C die Ein- und Ausschaltverluste sowie die Ein- und Ausschaltzeiten einander gegenübergestellt, die aus den Messdaten gewonnen wurden:

  • • Eon = 0,41 mJ zu Eoff = 0,69 mJ verhält sich wie 1:1,68.
  • • ton = 202 ns zu toff = 472 ns verhält sich wie 1:2,34.
Of particular importance in the investigations are the switch-off parameters, because these cause the greater proportion of the switching losses. To corroborate this statement, for the operating point V DClink = 30 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C, the turn-on and turn-off losses and the turn-on and turn-off times are compared with each other the measured data were obtained:
  • • E on = 0.41 mJ to E off = 0.69 mJ behaves like 1: 1.68.
  • • t on = 202 ns to t off = 472 ns behaves like 1: 2.34.

Die Messungen liefern hauptsächlich Informationen zum unteren Schalter, da der vorliegende Messaufbau die Drainstrommessung nur im unteren Brückenteil ermöglicht. Die Simulation generiert darüber hinaus auch wichtige Anhaltspunkte über den oberen Schalter und die Verluste, die beim Schalten im Chip entstehen. Außerdem wird der Einfluss der internen Induktivitäten des oberen und unteren Schalters auf die Schaltenergien und Schaltzeiten deutlich. Die ermittelten internen Induktivitäten sind in folgender Tabelle noch einmal zusammengefasst (vgl. Unterabschnitt 4.2.2.2. – Bestimmung der Induktivitäten und Widerstände): Schalterinduktivität [nH] LD1 2,0 LS1 0,5 LD2 3,5 LS2 3,5 The measurements mainly provide information about the lower switch, since the present measurement setup allows the drain current measurement only in the lower bridge section. The simulation also generates important clues about the upper switch and the losses that occur when switching in the chip. In addition, the influence of the internal inductances of the upper and lower switch on the switching energies and switching times becomes clear. The determined internal inductances are summarized again in the following table (see subsection 4.2.2.2 - Determination of inductances and resistances): Schalterinduktivität [NH] L D1 2.0 L S1 0.5 L D2 3.5 L S2 3.5

Hierin bestehen die einzigen Unterschiede der Parametrierung der beiden MOSFETs.Here in the only differences are the parameterization of the two MOSFETs.

Bevor nun in den folgenden Unterabschnitten die Ergebnisse der simulativen Arbeitspunktuntersuchungen ausgewertet und beurteilt werden, soll noch einmal – wenngleich etwas philosophisch – klargestellt werden, dass ein Modell eine Vorstellung der Wirklichkeit ist.Before now in the following subsections the results of the simulative Working point examinations should be evaluated and evaluated once again - albeit philosophically - clarified that a model is an idea of reality.

Innerhalb dieser Vorstellung gelten eine Reihe von Regeln, die die Größen des Modells in Beziehung zu Beobachtungen setzen. Ein gutes Modell muss eine große Klasse von Beobachtungen beschreiben (z. B. das Ausgangskennlinienfeld oder das Durchlassverhalten der Diode) und Vorhersagen über künftige Beobachtungen ermöglichen (z. B. Schaltverläufe). Die Qualität der Simulation hängt stark von der Modellvorstellung der realen Schalter, der Simulationsumgebung und den Vereinfachungen, die im Rahmen dieses Modells gemacht werden, ab. Es wird in der Erstellung eines Modells immer Vereinfachungen geben. Diese verschiedenen Vereinfachungen können entweder in dieselbe Richtung oder entgegengesetzt wirken, sodass sie sich verstärken oder abschwächen, bestenfalls auch aufheben können. Bei der Beurteilung der Abweichungen der simulierten Kennwerte wird jedoch nur auf die Modellvorstellung der Rückwirkungskapazität eingegangen, alle anderen Fehlerquellen bleiben unbeachtet, da eine richtige Fehlerbetrachtung aufgrund der Komplexität des Modells den Rahmen dieser Arbeit völlig sprengen würde. Trotzdem nennt die folgende Aufzählung noch einige weitere Ursachen für Abweichungen zwischen Messung und Simulation, ohne jedoch einen Anspruch auf Vollständigkeit zu erheben:

  • • Folgende Vereinfachungen, die bei der Nachbildung des Gatekreises vorgenommen worden sind (vgl. Abschnitt 4.1.5), haben einen relativ starken Einfluss auf die Kennwerte: – die konstante Gate-Source-Kapazität CGS, – die Vernachlässigung der internen Gateinduktivität, – die Vernachlässigung sonstiger Induktivitäten im Gatekreis und – die unzureichende Berücksichtigung der ohmschen Widerstände im Gatekreis.
  • • Außerdem könnte die in Unterkapitel 3.8. dargelegte Modellvorstellung der Kapazitäten die Wirklichkeit nicht ausreichend genau widerspiegeln und so Abweichungen verursachen.
  • • Die Modellierung und Parametrierung der Messumgebung entspricht nicht genau dem tatsächlichen Messaufbau.
  • • Denkbar ist grundsätzlich auch, dass die der Messmethode zugrunde liegenden Messfehler zu einer Verfälschung der Ergebnisse führen und die Wirklichkeit irgendwo zwischen der Simulation und der Messung liegt.
Within this concept there are a number of rules that relate the magnitudes of the model to observations. A good model must describe a large class of observations (eg, the output characteristic field or the on-state behavior of the diode) and allow for predictions about future observations (eg, switching characteristics). The quality of the simulation depends heavily on the modeling of the real switches, the simulation environment, and the simplifications made in this model. There will always be simplifications in the creation of a model. These different simplifications can either be in the same direction or opposite, so that they increase or decrease, or at best can cancel. In assessing the deviations of the simulated characteristic values, however, only the model concept of the reaction capacity is considered, all other sources of error are disregarded, since a correct error consideration would go beyond the scope of this work due to the complexity of the model. Nevertheless, the following list mentions a few other causes of deviations between measurement and simulation, but without claiming to be exhaustive:
  • • The following simplifications made in the simulation of the gate circuit (see section 4.1.5) have a relatively strong influence on the characteristic values: - the constant gate-source capacitance C GS , - neglecting the internal gate inductance, - the neglect of other inductances in the gate circuit and - the insufficient consideration of the ohmic resistances in the gate circuit.
  • • In addition, the subchapter 3.8. The modeling of capacities presented above does not sufficiently reflect reality and thus cause deviations.
  • • The modeling and parameterization of the measurement environment does not exactly match the actual measurement setup.
  • • In principle it is also conceivable that the measuring errors on which the measuring method is based lead to a falsification of the results and the reality lies somewhere between the simulation and the measurement.

4.4.3.1. Auswertung der Ausschaltparameter der MOSFET-Brücke4.4.3.1. Evaluation of the switch-off parameters the mosfet bridge

Ausschaltzeiten in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG Off times as a function of the gate resistance R G

Die Abbildungen 163 (Vergleich der Ausschaltverzögerungszeit td(off) in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClink = 30 V, IL = 150 A und Tj = 25°C)) und 164 (Vergleich der Abfallzeit tf in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClink = 30 V, IL = 150 A und TJ = 25°C)) zeigen den Einfluss des Gatewiderstandes RG auf die Ausschaltverzögerungszeit td(off) und die Abfallzeit tf.The pictures 163 (Comparison of the switch- off delay time t d (off) as a function of the gate resistance R G (VD Clink = 30 V, I L = 150 A and T j = 25 ° C)) and 164 (Comparison of the fall time t f as a function of the gate resistance R G (V DClink = 30 V, I L = 150 A and T J = 25 ° C)) show the influence of the gate resistance R G on the switch-off delay time t d (off) and Fall time t f .

Nachfolgende Aussagen lassen sich aus den Abbildungen ableiten:

  • • Mit steigendem Gatewiderstand RG steigt auch die Ausschaltverzögerungszeit td(off).
  • • Die Ausschaltverzögerungszeit td(off) ist in der Simulation größer als in der Messung. Vergleicht man die td(off) der Messung mit td(off) der Simulation des unteren Schalters, so weicht die simulierte Ausschaltverzögerungszeit bis zu 20% von der dazugehörigen gemessenen Zeit ab. Die Ursache dafür liegt hauptsächlich in der verwendeten Crss-Kennlinie. Die in Abschnitt 3.5. dargelegte Ermittlung der Crssdiff-Kennlinien zeigt, dass die Kennlinie, beginnend bei negativen Drain-Gate-Spannungen, zunächst auf ein lokales Maximum ansteigt und dann absinkt, bevor sie bei größeren positiven Drain-Gate-Spannungen in Abhängigkeit vom Gatewiderstand wieder ansteigt (vgl. 47). Die für diese Untersuchung verwendete Kennlinie weist diese typische Charakteristik jedoch nicht auf. Je langsamer geschaltet wird, umso größer ist der Einfluss falscher Kennlinienbereiche auf die Simulation. Die vereinfachte Nachbildung der Kennlinie bei negativen Drain-Gate-Spannungen verursacht so die Zunahme des Simulationsfehlers von 2% bei RG = 10 Ω auf 20% bei RG = 100 Ω.
  • • Der Einfluss der internen Sourceinduktivität auf die Ausschaltverzögerungszeit ist vernachlässigbar, da ein konstanter Drainstrom vorliegt (ID = IL).
  • • Mit steigendem Gatewiderstand RG steigt auch die Abfallzeit tf.
  • • Die simulierte Abfallzeit ist bei kleinen Gatewiderständen größer und bei größeren Widerständen kleiner als die der dazugehörigen Messungen. Die prozentualen Abweichungen der Abfallzeit der Simulation von der Messung liegen zwischen 0% und 18%. Die Ursachen für diese Diskrepanzen liegen in der Abhängigkeit der Crssdiff-Kennlinie vom verwendeten Gatewiderstand (vgl. 47). Bei schnelleren Schaltvorgängen ist der tatsächlich anliegende Wert der differentiellen Rückwirkungskapazität nach der Überspannungsspitze geringer als die Kennlinie, die in den Simulator eingebunden ist (vgl. Abschnitt 3.5.2.). Da die Simulation zur Vereinfachung nur von einer Abhängigkeit von der Drain-Gate-Spannung ausgeht, ist dieser Effekt in das Modell nicht integrierbar. Damit sind die spannungsabhängigen „Zeitkonstanten" im Gatekreis in diesem Bereich zu groß und verursachen dadurch die längere Abfallzeit während der Stromkommutierung. Bei großen Widerständen hingegen ändert sich die charakteristische Kennlinie und steigt bei großen, positiven Drain-Gate-Spannungen wieder an. Die im Simulator verwendete Kennlinie weist diese Charakteristik jedoch nicht auf. Damit sind die „Zeitkonstanten" in diesem Bereich zu klein und die Abfallzeit der Simulation ist geringer als in der zugehörigen Messung. Aufgrund der geschilderten Zusammenhänge kann die Simulation durch die Einbindung verschiedener C-Kennlinien für bestimmte Widerstandsbereiche verbessert werden.
  • • Der Einfluss der unterschiedlichen Sourceinduktivitäten der Halbleiterbrücke durch die diD/dt-Rückkopplung wird bei der Abfallzeit deutlich. Der Spannungsabfall über der Sourceinduktivität hebt das am Chip anliegende Gatepotential an und verzögert so das Ausschalten. Infolgedessen kann der obere Schalter viel schneller schalten als der untere, da seine Sourceinduktivität viel kleiner ist als die des unteren MOSFETs. So ist bei RG = 10 Ω die Anstiegszeit tr am oberen Schalter um 41% geringer als am unteren Schalter. Die Diskrepanz verringert sich bei langsamen Schaltverläufen (RG = 100 Ω) nur auf 15%.
The following statements can be derived from the figures:
  • • As the gate resistance R G increases, the off-delay time td (off) also increases .
  • • The switch-off delay time t d (off) is greater in the simulation than in the measurement. If the t d (off) of the measurement is compared with t d (off) of the simulation of the lower switch, the simulated switch-off delay time deviates up to 20% from the associated measured time. The reason for this lies mainly in the Crss characteristic used. The in section 3.5. The determination of the Crss diff characteristics as described above shows that the characteristic initially increases to a local maximum starting with negative drain gate voltages and then drops before it rises again with greater positive drain gate voltages as a function of the gate resistance (cf. , 47 ). However, the characteristic used for this study does not have this typical characteristic. The slower the switch, the greater the influence of wrong characteristic areas on the simulation. The simplified simulation of the characteristic with negative drain-gate voltages thus causes the simulation error to increase from 2% at R G = 10Ω to 20% at R G = 100Ω.
  • • The influence of the internal source inductance on the off-delay time is negligible as there is a constant drain current (I D = I L ).
  • • As the gate resistance R G increases, the fall time t f also increases .
  • • The simulated decay time is greater for small gate resistances and smaller for larger resistances than for the corresponding measurements. The percentage deviations of the fall time of the simulation from the measurement are between 0% and 18%. The causes of these discrepancies lie in the dependence of the Crss diff characteristic on the gate resistance used (cf. 47 ). For faster switching operations, the actual value of the differential feedback capacitance after the overvoltage peak is less than the characteristic integrated in the simulator (see Section 3.5.2.). Since the simulation assumes only a dependence on the drain-gate voltage for the sake of simplicity, this effect can not be integrated into the model. This means that the voltage-dependent "time constants" in the gate circuit in this area are too large and thus cause the longer decay time during current commutation, whereas with large resistances the characteristic curve changes and rises again at high, positive drain-gate voltages However, the characteristic used does not have this characteristic, so that the "time constants" in this range are too small and the decay time of the simulation is lower than in the associated measurement. Due to the described relationships, the simulation can be improved by incorporating different C-characteristics for specific resistance ranges.
  • • The influence of the different source inductances of the semiconductor bridge by the di D / dt feedback becomes clear at the fall time. The voltage drop across the source inductance raises the gate potential applied to the chip, thus delaying the turn-off. As a result, the upper switch can switch much faster than the lower one because its source inductance is much smaller than that of the lower MOSFET. Thus, at R G = 10 Ω, the rise time t r at the top switch is 41% lower than at the bottom switch. The discrepancy only decreases to 15% with slow switching characteristics (R G = 100 Ω).

Ausschaltzeiten in Abhängigkeit von Drainstrom ID Off times as a function of drain current I D

Die Abbildungen 165 (Vergleich der Ausschaltverzögerungszeit td(off) in Abhängigkeit vom Drainstrom ID (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) und 166 (Vergleich der Abfallzeit tf in Abhängigkeit vom Drainstrom ID (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) zeigen den Einfluss des Drainstromes ID auf die Ausschaltzeiten. Nachfolgende Feststellungen lassen sich aus den Diagrammen ableiten:

  • • Die Ausschaltverzögerungszeit td(off) sinkt mit steigendem Strom und ist damit abhängig davon, wo das Ausgangskennlinienfeld durchlaufen wird. So ergibt sich bei kleineren Strömen das Millerplateau bei niedrigeren Gate-Source-Spannungen als dies bei größeren Strömen der Fall ist. Demnach ist die Zeitspanne bis zum Erreichen des Millerplateaus und damit auch die Ausschaltverzögerungszeit bei kleineren Strömen länger als bei größeren Strömen.
  • • Die prozentuale Abweichung der Simulation von der Messung liegt zwischen 0% und 3% und besitzt damit für die Simulation eine erstaunlich hohe Genauigkeit.
  • • Bezug nehmend auf 162 ist festzustellen, dass eine Veränderung des Drainstromes kaum Einfluss auf den Bereich der negativen Drain-Gate-Spannungen der C-Kennlinie hat (vgl. Abschnitt 3.5.5.).
  • • Die Wirkung der internen Induktivitäten ist vernachlässigbar, da ein konstanter Drainstrom vorliegt (ID = IL).
  • • Mit steigendem Drainstrom verlängert sich die Abfallzeit tf (mehr Strom kommutiert).
  • • Die prozentualen Abweichungen von Messung und zugehöriger Simulation liegen zwischen 0% und 18%. Für große Ströme liegt die simulierte Abfallzeit zunächst über der der Messung, bei kleinen darunter. Ursprung dieser Diskrepanzen ist wieder die verwendete C-Kennlinie (vgl. 160 und 47). Während bei großen Stromstärken und kleinem Gatewiderstand die tatsächlich wirkende Rückwirkungskapazität nach der Spannungsspitze kleiner ist, geht dieser Effekt bei kleineren Drainstromstärken aufgrund der langsameren Stromkommutierung nach und nach verloren und die Schalterkapazität steigt nach der Spannungsspitze weiter an.
  • • Die Beeinflussung des Schaltvorgangs durch die internen Sourceinduktivitäten ist sehr stark. Die Stromkommutierung am oberen Schalter ist bei großen Strömen wesentlich schneller als am unteren. So ist bei IL = 150 A die Anstiegszeit tr am oberen Schalter 41% geringer als am unteren Schalter. Die Diskrepanz verringert sich allerdings bei kleinen Strömen (IL = 10 A) auf 3%, da sich bei der Kommutierung von kleineren Strömen die Drainstromanstiege verringern.
The pictures 165 (Comparison of the switch-off delay time t d (off) as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) and 166 (Comparison of the fall time t f as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) show the influence of the drain current I D on the turn-off. The following findings can be deduced from the diagrams:
  • • The off delay time t d (off) decreases with increasing current and thus depends on where the output characteristic field is traversed. Thus, for smaller currents, the Miller plateau results at lower gate-source voltages than is the case for larger currents. Accordingly, the time to reach the Millerplateaus and thus the turn-off delay time is smaller for smaller currents than for larger currents.
  • • The percentage deviation of the simulation from the measurement is between 0% and 3% and therefore has an amazingly high accuracy for the simulation.
  • • Referring to 162 It should be noted that a change in the drain current has little effect on the range of the negative drain-gate voltages of the C characteristic (see Section 3.5.5.).
  • • The effect of the internal inductances is negligible as there is a constant drain current (I D = I L ).
  • • As the drain current increases, the fall time t f increases (more current commutates).
  • • The percentage deviations of the measurement and the associated simulation are between 0% and 18%. For large currents, the simulated decay time is initially above that of the measurement, with small below. The origin of these discrepancies is again the used C-characteristic (cf. 160 and 47 ). While at high currents and small gate resistance, the actual acting feedback capacitance is smaller after the voltage spike, this effect is gradually lost at lower drain currents due to the slower current commutation, and the switch capacitance continues to increase after the voltage spike.
  • • The influence on the switching process by the internal source inductances is very strong. The current commutation at the top switch is much faster at high currents than at the bottom. Thus, at I L = 150 A, the rise time t r at the upper switch is 41% lower than at the lower switch. The discrepancy, however, decreases to 3% for small currents (I L = 10 A), since the commutation of smaller currents reduces the drain current increases.

Ausschaltenergie in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG Switch-off energy as a function of the gate resistance R G

167 (Vergleich der gemessenen und simulierten Ausschaltenergien Eoffmess, Eoff1 und Eoff2 in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und Tj = 25°C)) zeigt die Ausschaltverlustenergie Eoff in Abhängigkeit vom Gatewiderstand. 167 (Comparison of the measured and simulated turn-off energies E offmess , E off1 and E off2 as a function of the gate resistance R G (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T j = 25 ° C)) shows the turn- off loss energy E off as a function of gate resistance.

Es ist Folgendes festzustellen:

  • • Die Ausschaltverlustenergie nimmt mit steigendem Gatewiderstand zu.
  • • Die aus der Simulation ermittelten Ausschaltverluste sind größer als die der zugehörigen Messung. Die Diskrepanz zwischen tatsächlicher Messung und zugehöriger Simulation liegt zwischen 18% bei RG = 10 Ω und 15% bei RG = 100 Ω. Die Ursache dieser Abweichungen findet sich in der Verlustbestimmung von Simulation und Messung. Während die Simulation die Einschaltverluste entsprechend der Definition in Abschnitt 4.4.1. ermittelt, werden in der Messdatenauswertung die Verluste nur während der Strom- und Spannungskommutierung bestimmt. Die simulativen Einschaltverluste enthalten somit gewissermaßen noch einen Anteil an Durchlassverlusten.
  • • Die Ausschaltverluste am oberen und unteren Schalter sind nahezu identisch, da in beiden Schaltern dieselben Kapazitäten umgeladen werden müssen. Das heißt natürlich nicht, dass die Verluste völlig unabhängig von den Induktivitäten sind. Vielmehr muss hier differenziert werden. Die Verluste sind sehr wohl abhängig von der gesamten Kommutierungsinduktivität. Sie scheinen jedoch relativ unabhängig davon zu sein, wie diese Induktivität im Kommutierungskreis verteilt ist. Die letzte Aussage sollte durch entsprechende Simulationen überprüft werden.
  • • Die kürzere Abfallzeit des oberen Schalters verursacht größere Überspannungen am Schalter, sodass die Verluste am oberen und unteren Schalter einander letztendlich entsprechen. (Die Ausschaltverzögerungszeiten (vgl. 163) der beiden MOSFETs entsprechen sich.)
It should be noted that:
  • • The turn-off loss energy increases with increasing gate resistance.
  • • The switch-off losses determined from the simulation are greater than those of the associated measurement. The discrepancy between the actual measurement and the associated simulation is between 18% at R G = 10 Ω and 15% at R G = 100 Ω. The cause of these deviations can be found in the loss determination of simulation and measurement. During the simulation, the turn-on losses as defined in Section 4.4.1. determined, the losses are determined in the measurement data evaluation only during the current and voltage commutation. The simulative switch-on losses thus to a certain extent still contain a proportion of forward losses.
  • • The turn-off losses at the top and bottom switches are nearly identical, as the same capacitances must be reloaded in both switches. Of course, this does not mean that the losses are completely independent of the inductances. Rather, it must be differentiated here. The losses are very dependent on the total commutation inductance. However, they appear to be relatively independent of how this inductance is distributed in the commutation circuit. The last statement should be checked by appropriate simulations.
  • • The shorter fall time of the upper switch causes greater overvoltages on the switch, so that the losses at the top and bottom switch ultimately correspond to each other. (The switch-off delay times (cf. 163 ) of the two MOSFETs are the same.)

Die Abbildungen 168 (Vergleich der simulierten Ausschaltverluste des oberen MOSFETs am Chip und zwischen den Drain-Source-Anschlüssen in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) und 169 (Vergleich der simulierten Ausschaltverluste des unteren MOSFETs am Chip und zwischen den Drain-Source-Anschlüssen in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) stellen die simulierten Verluste direkt im Chip und zwischen den Messpunkten dar. Es bleibt festzuhalten:

  • • Die Ausschaltverluste am Chip sind höher als zwischen den Messpunkten, da die Spannungsabfälle über der Drain- und der Sourceinduktivität die Messspannung gegenüber der Chipspannung beim Einschalten verringern.
  • • Der Unterschied zwischen Mess- und Chipspannung ist am unteren MOSFET größer als am oberen, da die Induktivitäten im unteren Schalter größer sind als im oberen. Mit steigendem Gatewiderstand verringert sich der Einfluss. So weichen am oberen Schalter die Ausschaltenergien im Chip zwischen 3% bei RG = 10 Ω und rund 0% bei RG = 100 Ω von den Verlusten zwischen den simulierten Messpunkten ab. Am unteren Schalter liegt die Diskrepanz zwischen 9% bei RG = 10 Ω und 1% bei RG = 100 Ω.
The pictures 168 (Comparison of the simulated turn-off losses of the upper MOSFET on the chip and between the drain-source terminals as a function of the gate resistance R G (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) and 169 (Comparison of the simulated turn-off losses of the lower MOSFET on the chip and between the drain-source terminals as a function of the gate resistance R G (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) directly offset the simulated losses in the chip and between the measuring points. It remains to be noted:
  • • The turn-off losses on the chip are higher than between the measuring points, since the voltage drops across the drain and the source inductance are the measuring voltage compared to the chip voltage at switch-on reduce.
  • • The difference between the measurement voltage and the chip voltage is greater at the lower MOSFET than at the upper one, since the inductances in the lower switch are larger than in the upper one. As the gate resistance increases, the influence decreases. For example, at the upper switch, the switch-off energies in the chip deviate from 3% at R G = 10Ω to around 0% at R G = 100Ω from the losses between the simulated measuring points. At the lower switch the discrepancy lies between 9% at R G = 10 Ω and 1% at R G = 100 Ω.

Ausschaltenergie in Abhängigkeit von Drainstrom ID Switch-off energy as a function of drain current I D

170 (Vergleich der gemessenen und simulierten Ausschaltenergien Eoffmess, Eoff1 und Eoff2 in Abhängigkeit vom Drainstrom ID (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) stellt die Abhängigkeit der Ausschaltverlustenergie vom Drainstrom ID dar. Folgende Erkenntnisse lassen sich aus der Darstellung ableiten:

  • • Bei steigendem Drainstrom nehmen die Verluste zu.
  • • Die simulierten Verluste sind höher als die zugehörigen gemessen. Die Abweichung der simulierten Verluste des unteren Schalters von den Messungen liegen zwischen 18% bei IL = 150 A und 11% bei IL = 10 A.
170 (Comparison of the measured and simulated turn-off energies Eoffmess , E off1 and E off2 as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) represents the dependence of the turn-off loss energy on the drain current I. D dar. The following findings can be derived from the presentation:
  • • As the drain current increases, the losses increase.
  • • The simulated losses are higher than the associated measured. The deviation of the simulated losses of the lower switch from the measurements are between 18% at I L = 150 A and 11% at I L = 10 A.

Die Darstellungen 171 (Vergleich der simulierten Ausschaltverluste des oberen MOSFETs am Chip und zwischen den Drain-Source-Anschlüssen in Abhängigkeit vom Drainstrom ID (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) und 172 (Vergleich der simulierten Ausschaltverluste des unteren MOSFETs am Chip und zwischen den Drain-Source-Anschlüssen in Abhängigkeit vom Drainstrom ID (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) stellen den Einfluss der internen Schalterinduktivitäten auf die Schaltverluste dar. Es gilt festzuhalten:

  • • Die Verluste am Chip sind höher als die zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen ermittelten.
  • • Der Einfluss der internen Induktivitäten auf die Verluste bei kleineren Drainstromstärken geht gegen Null. So sind am unteren Schalter die Verluste am Chip bei IL = 150 A um 9% größer als und bei IL = 10 A genauso groß wie die Einschaltverluste, die aus den Messungen ermittelt werden. Am oberen Schalter betragen die Abweichungen 3% bei IL = 150 A und rund 0% bei IL = 10 A.
The representations 171 (Comparison of the simulated turn-off losses of the upper MOSFET on the chip and between the drain-source terminals as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) and 172 (Comparison of the simulated turn-off losses of the lower MOSFET on the chip and between the drain-source terminals as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) are the influence of the internal Switch inductances on the switching losses dar. It is noted:
  • • The losses on the chip are higher than those determined between the drain and source connections.
  • • The influence of the internal inductances on the losses at lower drain currents goes to zero. At the lower switch, the losses on the chip at I L = 150 A are 9% greater than and at I L = 10 A are the same as the switch-on losses, which are determined from the measurements. At the upper switch, the deviations are 3% at I L = 150 A and around 0% at I L = 10 A.

Folgendes Resümee ergibt sich für die Ausschaltzeiten und -verluste:

  • 1. Die Simulationsergebnisse der Ausschaltverzögerungszeit td(off) lassen sich durch eine Korrektur der verwendeten Rückwirkungskapazitätskennlinie bei negativen Drain-Gate-Spannungen verbessern.
  • 2. Die Nachbildung der Rückwirkungskapazitätskennlinie beeinflusst auch die Simulation der Abfallzeit tf. Es ist zu erwägen, verschiedene Kennlinien für bestimmte Widerstandsbereiche in den Simulator zu integrieren (vgl. Abschnitt 3.5.2.).
  • 3. Die Simulation der Ausschaltverluste Eoff liefert Informationen zu den Verlusten, die am Chip entstehen. Diese sind höher als die Verluste, die aus den simulierten Messungen ermittelt werden.
  • 4. Die prozentualen Abweichungen der simulierten Verluste im Chip und zwischen den Messpunkten lassen sich auf die tatsächlichen Messungen übertragen. (Die Verläufe der Kennlinien Eoff1 und Eoffchip1 bzw. Eoff2 und Eoffchip2 sind ähnlich. Unter Berücksichtigung der Abweichungen zwischen Eoffmess und Eoff2 können damit die tatsächlichen Chipverluste abgeschätzt werden.)
  • 5. Die Verläufe der simulierten Ausschaltzeiten und -verlustenergien in Abhängigkeit von RG und ID sind den Messverläufen sehr ähnlich. Die Abweichungen zwischen Simulation und dazugehöriger Messung betragen maximal 20%. Diese Genauigkeit ist für eine Simulation ausreichend und steht für die Stabilität des Modells.
  • 6. Generell ist eine Verbesserung der Simulationsergebnisse durch Umsetzung der Erkenntnisse aus Abschnitt 3.5. zu erwarten.
The following summary is given for the switch-off times and losses:
  • 1. The simulation results of the off delay time t d (off) can be improved by correcting the used feedback capacitance characteristic at negative drain gate voltages.
  • 2. The simulation of the feedback capacitance characteristic also influences the simulation of the decay time t f . It should be considered to integrate different characteristics for certain resistance ranges into the simulator (see section 3.5.2.).
  • 3. The simulation of the switch- off losses E off provides information about the losses that occur on the chip. These are higher than the losses that are determined from the simulated measurements.
  • 4. The percentage deviations of the simulated losses in the chip and between the measuring points can be transferred to the actual measurements. (The paths of the characteristics Eoff 1 and Eoff Chip1 or Eoff 2 and Eoff Chip2 are similar. Taking into account the deviations between measured and Eoff Eoff 2, the actual chip losses can be estimated with it.)
  • 5. The curves of the simulated switch-off times and energy losses as a function of R G and I D are very similar to the measurement curves. The deviations between simulation and associated measurement amount to a maximum of 20%. This accuracy is sufficient for a simulation and represents the stability of the model.
  • 6. In general, an improvement of the simulation results by implementing the findings from section 3.5. expected.

4.4.3.2. Einstellung der Diodenzeitkonstanten4.4.3.2. Setting the diode time constants

Das Reverse-Recovery-Verhalten der Inversdiode wird mit Hilfe von zwei Verzögerungsgliedern und deren Zeitkonstanten nachgebildet. Mit der Zeitkonstanten Td wird die Höhe der Rückstromspitze eingestellt und mit Trr die Diodenabfallzeit. Dieses relativ primitive Diodenmodell erfordert ein aufwendiges Einstellen der Diodenzeitkonstanten durch einen Abgleich von Simulation und Messungen für jeden untersuchten Arbeitspunkt:

  • • Wird der untere Schalter als Freilaufdiode verwendet, so wird zunächst mit Td die Rückstromspitze IRRM2 der Diode D2 so eingestellt, dass sie der Rückstromspitze IRRMmess der Messung entspricht. Danach wird T, so angeglichen, dass die Diodenabfallzeiten von Simulation und Messung übereinstimmen.
  • • Wird der obere Schalter als Freilaufdiode verwendet, muss die Einstellung der Parameter Td und Trr entsprechend durch Abgleich des Drainstromverlaufs des unteren MOSFETs erfolgen, da der Strom durch den oberen MOSFET bzw. seine Inversdiode mit dem vorliegenden Messaufbau nicht gemessen werden kann.
The reverse recovery behavior of the inverse diode is simulated by means of two delay elements and their time constants. With the time constant T d the height of the reverse current peak is set and with T rr the diode fall time. This relatively primitive diode model requires a complex setting of the diode time constants by a comparison of simulation and measurements for each operating point investigated:
  • • If the lower switch is used as a freewheeling diode, the reverse current peak I RRM2 of the diode D2 is first adjusted with T d so that it corresponds to the reverse current peak I RRMmess of the measurement. Thereafter, T is adjusted so that the diode fall times of simulation and measurement match.
  • • If the upper switch is used as a freewheeling diode, the adjustment of the parameters T d and T rr must be done by adjusting the drain current characteristic of the lower MOSFET, as the current through the upper MOSFET or its inverse diode can not be measured with this test setup.

Die sich daraus ergebenden Parameter sind in 173 (Diodenzeitkonstante Td in Abhängigkeit vom Gatewiderstand (VDClink = 30 V, IL = 150 A und TJ = 25°C)), 174 (Diodenzeitkonstante Td in Abhängigkeit vom Drainstrom (VDClink = 30 V, IL = 150 A und TJ = 25°C)), 175 (Diodenzeitkonstante Trr in Abhängigkeit vom Gatewiderstand (VDClink = 30 V, IL = 15 A und TJ = 25°C)) und 176 (Diodenzeitkonstante Trr in Abhängigkeit vom Drainstrom (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) in Abhängigkeit von Gatewiderstand und Drainstrom dargestellt. Auf eine Analyse der Ergebnisse wird verzichtet. Die Abbildungen in diesem Unterabschnitt bieten jedoch eine gute Basis für weitergehende Analysen, welche eventuell zu einem neuen Diodenmodell führen könnten, das ohne die Einstellung von Zeitkonstanten durch den Anwender auskommt.The resulting parameters are in 173 (Diode time constant Td as a function of the gate resistance (V DClink = 30 V, I L = 150 A and T J = 25 ° C)), 174 (Diode time constant Td as a function of the drain current (V DClink = 30 V, I L = 150 A and T J = 25 ° C)), 175 (Diode time constant T rr as a function of the gate resistance (V DClink = 30 V, I L = 15 A and T J = 25 ° C)) and 176 (Diode time constant T rr as a function of the drain current (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) as a function of gate resistance and drain current shown. An analysis of the results is waived. However, the figures in this subsection provide a good basis for further analysis, which could eventually lead to a new diode model that does not require the user to set time constants.

Da die nachfolgende Auswertung der Einschaltparameter zeigt, dass sich das Reverse-Recovery-Verhalten der Diode durch Td und Trr nachbilden lässt, stellt sich die Frage, ob durch weiterführende Messungen und Analysen ein mathematischer Zusammenhang für diese beiden Parameter ableitbar ist. So zeigen die Abbildungen 177 (Sperrverzögerungszeit der Diode D2 in Abhängigkeit vom Stromanstieg), 178 (Maximaler Rückwärtsstrom der Diode D2 in Abhängigkeit vom Stromanstieg) und 179 (Sperrverzögerungsladung der Diode D2 in Abhängigkeit vom Stromanstieg) die Ergebnisse der Auswertung der Diodenmessung im unteren Brückenzweig. (Vergleichbare Diagramme für den oberen Schalter können mit dem vorliegenden Messaufbau nicht generiert werden.) Auch diese Diagramme werden hier nur präsentiert, ohne dass sich daraus ergebende Aussagen für das Diodenmodell abgeleitet werden. Sie dienen lediglich zur Anregung für weiterführende Untersuchungen.Since the subsequent evaluation of the switch-on parameters shows that the reverse-recovery behavior of the diode can be reproduced by T d and T rr , the question arises as to whether a further mathematical relationship can be derived from further measurements and analyzes. This is how the pictures show 177 (Reverse recovery time of the diode D2 as a function of the current increase), 178 (Maximum reverse current of the diode D2 as a function of the current increase) and 179 (Reverse recovery charge of the diode D2 as a function of the current increase) the results of the evaluation of the diode measurement in the lower bridge branch. (Comparable diagrams for the upper switch can not be generated with the existing test setup.) These diagrams are also presented here only, without the resulting statements being derived for the diode model. They merely serve to stimulate further investigations.

Falls aus diesen Darstellungen ein Zusammenhang ableitbar sein sollte, der in den Simulator integrierbar ist, könnte so dem Anwender das aufwendige Einstellen der Zeitkonstanten erspart werden. Die Ermittlung eines solchen Zusammenhangs ist jedoch keineswegs trivial und würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen. Nachfolgend werden noch einige (unvollständige) Hinweise gegeben, was zu bedenken ist:

  • • Td scheint vor allem vom Stromanstieg abhängig zu sein (vgl. 178).
  • • Die Herleitung eines Zusammenhangs für Trr. ist wesentlich komplizierter. An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass der Parameter Trr sich nur auf die Abfallzeit der Diode bezieht, trr in der Darstellung 177 jedoch auf die gesamte Sperrverzögerungszeit. Es gilt durch Messungen und Simulation zu untersuchen, inwiefern Trr im Simulator nur vom reinen Rückstromabriss abhängt – der die verbleibende Restladung ausräumt, welche hauptsächlich aus der Sperrschichtkapazität stammt – oder ob auch die Aufsteuereffekte und die Entlastung durch die Schalterkapazitäten einen Einfluss auf diesen Parameter haben. Durch Messungen, die durch Anlegen einer negativen Gatespannung bzw. durch Verwendung kleiner Gatewiderstände im Gatekreis des als Diode betriebenen MOSFETs gezielt das Aufsteuern verhindern, können zumindest die Aufsteuereffekte ausgeschlossen werden. Es besteht jedoch die Gefahr, dass die Diode durch solche Messungen zerstört wird (vgl. 2.2.3.).
If a relationship should be derivable from these representations, which can be integrated into the simulator, then the user could be spared the time-consuming setting of the time constants. However, identifying such a relationship is by no means trivial and beyond the scope of this paper. Below are some (incomplete) hints given, what to consider:
  • • T d seems to depend mainly on the current increase (cf. 178 ).
  • • The derivation of a connection for T rr . is much more complicated. It should be noted at this point that the parameter T rr refers only to the decay time of the diode, t rr in the illustration 177 however, on the total reverse delay time. By means of measurements and simulation, it is necessary to investigate to what extent T rr in the simulator depends only on pure reverse current breakdown - which removes the remaining residual charge, which mainly derives from the junction capacitance - or if the control effects and the discharge through the switch capacities also have an influence on this parameter , At least the control effects can be ruled out by measurements which selectively prevent the triggering by applying a negative gate voltage or by using small gate resistances in the gate circuit of the diode-operated MOSFET. However, there is a risk that the diode will be destroyed by such measurements (see 2.2.3.).

4.4.3.3. Auswertung der Einschaltparameter der MOSFET-Brücke4.4.3.3. Evaluation of the switch-on parameters the mosfet bridge

Einschaltzeiten in Abhängigkeit von Gatewiderstand RG Switch-on times as a function of gate resistance R G

Die Abbildungen 180 (Vergleich der Einschaltverzögerungszeit td(on) in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClink = 30 V, IL = 150 A und TJ = 25°C)) und 181 (Vergleich der Anstiegszeit tr in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClink = 30 V, IL = 150 A und TJ = 25°C)) zeigen den Einfluss des Gatewiderstandes RG auf die Einschaltverzögerungszeit td(on) und die Anstiegszeit tr.The pictures 180 (Comparison of the switch- on delay time t d (on) as a function of the gate resistance R G (V DClink = 30 V, I L = 150 A and T J = 25 ° C)) and 181 (Comparison of the rise time t r as a function of the gate resistance R G (V DClink = 30 V, I L = 150 A and T J = 25 ° C)) show the influence of the gate resistance R G on the switch-on delay time t d (on ) and the Rise time t r .

Nachstehende Aussagen lassen sich aus den Abbildungen ableiten:

  • • Mit steigendem Gatewiderstand RG steigt auch die Einschaltverzögerungszeit td(on).
  • • Die Einschaltverzögerungszeit td(on) ist in der Simulation kleiner als in der Messung. Vergleicht man die td(on) der Messung mit td(on) der Simulation des unteren Schalters, so weicht die simulierte Zeit zwischen 30% und 32% von der dazugehörigen gemessenen Zeit ab. Hauptgrund für diese starke Abweichung ist wieder die Modellierung der Crss-Kennlinie. Die Crss-Kennlinie in 160 unterscheidet sich bei positiven Drain-Gate-Spannungen von den Crssdiff-Kennlinien, die in Abschnitt 3.5. bestimmt werden (vgl. 47). So fehlt beispielsweise das Ansteigen der differentiellen Kapazität bei größeren positiven Drain-Gate-Spannungen. Somit ist die Rückwirkungskapazität zu Beginn der Kommutierung zu klein und damit auch die spannungsabhängigen „Zeitkonstanten" im Gatekreis.
  • • Der Einfluss der internen Sourceinduktivität auf die Einschaltverzögerungszeit ist vernachlässigbar.
  • • Mit steigendem Gatewiderstand RG steigt auch die Anstiegszeit tr.
  • • Die Anstiegszeit tr ist in der Simulation kleiner als in der Messung. Die prozentuale Abweichung der Simulation von der Messung steigt von 1% bei RG = 10 Ω Ohm auf 25% bei RG = 100 Ω an. Der Grund für diese stark ansteigende Abweichung ist wieder vorrangig in der verwendeten C-Kennlinie zu finden. Das typische Ansteigen bei größeren positiven Drain-Gate-Spannungen bei größeren Gatewiderständen ist in der verwendeten Kennlinie nicht enthalten (vgl. Abschnitt 3.5.3.). Dadurch entstehen vor allem zu Beginn der Stromkommutierung kleinere „Zeitkonstanten" im Gatekreis.
  • • Der Einfluss der unterschiedlichen Sourceinduktivitäten der Halbleiterbrücke wird bei der Anstiegszeit bzw. der Stromkommutierung deutlich. Die Rückkopplung über die Sourceinduktivität verlangsamt die Stromkommutierung, da das am Chip anliegende Gatepotential durch die Spannung über der internen Sourceinduktivität verringert wird. Deshalb schaltet der obere MOSFET mit LS1 = 0,5 nH schneller als der untere mit LS2 = 3,5 nH. Die Anstiegszeit tr ist bei RG = 10 Ω am oberen Schalter um 20% geringer als am unteren Schalter. Der Einfluss der Induktivität verringert die Anstiegszeit auch bei RG = 100 Ω noch um 11%.
The following statements can be derived from the figures:
  • • As the gate resistance R G increases, the on-delay time td (on) also increases .
  • • The switch-on delay time t d (on) is smaller in the simulation than in the measurement. Comparing the td (on) of the measurement with t d (on) of the simulation of the lower switch, the simulated time deviates between 30% and 32% of the associated measured time. The main reason for this strong deviation is again the modeling of the Crss characteristic. The Crss characteristic in 160 differs for positive drain-gate voltages from the Crss diff characteristics, which are discussed in Section 3.5. be determined (cf. 47 ). For example, there is a lack of increase in differential capacitance at larger positive drain-to-gate voltages. Thus, the feedback capacitance at the beginning of the commutation is too small and thus also the voltage-dependent "time constants" in the gate circuit.
  • • The influence of the internal source inductance on the turn-on delay time is negligible.
  • • As the gate resistance R G increases, the rise time t r also increases.
  • • The rise time t r is smaller in the simulation than in the measurement. The percentage deviation of the simulation from the measurement increases from 1% at R G = 10Ω ohms to 25% at R G = 100Ω. The reason for this strongly increasing deviation is again to be found primarily in the C-characteristic curve used. The typical The increase in larger positive drain-gate voltages for larger gate resistances is not included in the characteristic curve used (see Section 3.5.3.). This creates smaller "time constants" in the gate circuit, especially at the beginning of the current commutation.
  • • The influence of the different source inductances of the semiconductor bridge becomes clear during the rise time or the current commutation. The feedback via the source inductance slows the current commutation because the on-chip gate potential is reduced by the voltage across the internal source inductance. Therefore, the upper MOSFET switches with L S1 = 0.5 nH faster than the lower one with L S2 = 3.5 nH. The rise time t r is 20% lower at R G = 10 Ω at the upper switch than at the lower switch. The influence of the inductance reduces the rise time even at R G = 100 Ω by 11%.

Einschaltzeiten in Abhängigkeit vom Drainstrom ID Switch-on times as a function of the drain current I D

Die Abbildungen 182 (Vergleich der Einschaltverzögerungszeit td(on) in Abhängigkeit vom Drainstrom ID(VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und Tj = 25°C)) und 183 (Vergleich der Anstiegszeit tr in Abhängigkeit vom Drainstrom ID (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) zeigen den Einfluss des Drainstromes ID auf die Einschaltverzögerungszeit td(on) und die Anstiegszeit tr.The pictures 182 (Comparison of the switch- on delay time t d (on) as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T j = 25 ° C)) and 183 (Comparison of the rise time t r as a function of the drain current I D (V DC link = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) show the influence of the drain current I D on the turn-on delay time t d (on) and Rise time t r .

Folgende Erkenntnisse lassen sich aus den beiden Diagrammen ableiten:

  • • Mit steigendem Drainstrom ID steigt auch die Einschaltverzögerungszeit td(on). Entsprechend dem typischen Durchlaufen des Ausgangskennlinienfeldes, stellt sich das so genannte Millerplateau bei höheren Gatespannungen ein. Daher nimmt auch die Einschaltverzögerungszeit bei größeren Drainströmen zu.
  • • Die Einschaltverzögerungszeit td(on) ist in der Simulation kleiner als in der Messung. Vergleicht man die td(on) der Messung mit td(on) der Simulation des unteren Schalters, so weicht die simulierte Zeit wieder zwischen 30% und 32% von der dazugehörigen gemessenen Zeit ab. Ursachen dafür sind an der Stelle aufgeführt, wo die Abhängigkeit der Einschaltverzögerungszeit vom Gatewiderstand behandelt wird.
  • • Der Einfluss der internen Sourceinduktivität auf die Einschaltverzögerungszeit ist vernachlässigbar.
  • • Mit steigendem Drainstrom ID steigt auch die Anstiegszeit tr.
  • • Die Anstiegszeiten tmess und tr2 sind nahezu identisch. Die prozentualen Abweichungen der Simulation von der Messung liegen zwischen 1% und 7%. Das zeigt, dass die Anpassung der Crss-Kennlinie an einen Arbeitspunkt (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω, IL = 150 A und TJ = 25°C) bei Veränderung des Drainstromes unter sonst gleichen Bedingungen bei der Abfallzeit zu erstaunlich guten Simulationsergebnissen fuhrt.
  • • Der Einfluss der unterschiedlichen Sourceinduktivitäten der Halbleiterbrücke wird auch in 182 deutlich. Allerdings geht dieser Effekt aufgrund des Abnehmens der Stromanstiege bei kleinen Strömen immer mehr verloren. Während die Anstiegszeit tr bei ID = 150 A am oberen Schalter noch 20% geringer ist als am unteren Schalter, beträgt die Verkürzung der Anstiegszeit bei ID = 10 A nur noch 5%.
The following findings can be derived from the two diagrams:
  • • With increasing drain current I D , the turn-on delay time t d (on) also increases . According to the typical traversing of the output characteristic field, the so-called Miller plateau adjusts itself at higher gate voltages. Therefore, the turn-on delay time increases with larger drain currents.
  • • The switch-on delay time t d (on) is smaller in the simulation than in the measurement. If the t d (on ) of the measurement is compared with t d (on) of the simulation of the lower switch, the simulated time again deviates between 30% and 32% of the associated measured time. Causes for this are listed at the point where the dependence of the turn-on delay time is treated by the gate resistance.
  • • The influence of the internal source inductance on the turn-on delay time is negligible.
  • • As the drain current I D increases, the rise time t r also increases.
  • • The rise times t mess and t r2 are almost identical. The percentage deviations of the simulation from the measurement are between 1% and 7%. This shows that the adaptation of the Crss characteristic to an operating point (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω, I L = 150 A and T J = 25 ° C) changes the drain current under otherwise identical conditions at the fall time leads to amazingly good simulation results.
  • • The influence of the different source inductances of the semiconductor bridge is also shown in 182 clear. However, this effect is lost more and more due to the decrease in current increases at low currents. While the rise time t r at I D = 150 A at the upper switch is still 20% lower than at the lower switch, the reduction of the rise time at I D = 10 A is only 5%.

Einschaltenergie in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG Turn on energy as a function of the gate resistance R G

184 (Vergleich der gemessenen und simulierten Einschaltenergien Eonmess, Eon1 und Eon2 in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClink = 30 V, IL = 150 A und TJ = 25°C)) zeigt den Einfluss des Gatewiderstandes RG auf die Einschaltverluste Eon. Folgende Aussagen lassen sich ableiten:

  • • Während am unteren Schalter die Einschaltverluste Eon mit Zunahme des Gatewiderstandes RG im betrachteten Bereich immer weiter ansteigen, gehen die Verluste am oberen Schalter ab ca. RG = 80 Ω wieder leicht zurück.
  • • Die aus den Messungen ermittelten Einschaltverluste sind höher als die der zugehörigen Simulation. Bewirkt wird dies vor allem durch die gegenüber der Messung verkürzten Anstiegszeiten und die dadurch entstehende Spannungsentlastung.
  • • Die Diskrepanz zwischen Messung und zugehöriger Simulation beträgt bei RG = 10 Ω 12%, steigt auf bis zu 28% bei RG = 75 Ω und fällt dann bei RG = 100 Ω wieder auf 23%. In Anbetracht der Tatsache, dass die verwendete C-Kennlinie einige Mängel aufweist, sind diese Simulationsergebnisse erstaunlich gut.
  • • Die Einschaltverluste am oberen Schalter sind signifikant kleiner als am unteren Schalter. Zu begründen ist dies mit den kleineren Anstiegszeiten (vgl. 181), die sich durch die unterschiedlichen Induktivitätsverhältnisse an den Schaltern ergeben.
184 (Comparison of the measured and simulated switch-on energies E onmess , E on1 and E on2 as a function of the gate resistance R G (V DClink = 30 V, I L = 150 A and T J = 25 ° C)) shows the influence of the gate resistance R G the switch-on losses E on . The following statements can be derived:
  • • While the switch- on losses E on at the lower switch continue to rise in the considered range with the increase of the gate resistance R G , the losses at the upper switch go back slightly from approx. R G = 80 Ω.
  • • The starting losses determined from the measurements are higher than those of the associated simulation. This is mainly due to the shortened rise times compared to the measurement and the resulting stress relief.
  • • The discrepancy between the measurement and the associated simulation is 12% at R G = 10 Ω, increases up to 28% at R G = 75 Ω and then drops back to 23% at R G = 100 Ω. Given the fact that the C-characteristic used has some shortcomings, these simulation results are surprisingly good.
  • • The switch-on losses at the upper switch are significantly smaller than at the lower switch. This is justified by the smaller rise times (cf. 181 ), which result from the different inductance ratios at the switches.

Die Abbildungen 185 (Messverläufe (VDr1 = 0/10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω, VDClink = 30 V); CH1: Diodenstrom IDiode2, CH2: Drain-Source-Spannung VDS2, CH3: Drain-Source-Spannung VDS1, CH4: Halbbrückenspannung VD1S2), 186 (Messverläufe (VDr2 = 0/10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω, VDClink = 30 V); CH1: Drainstrom ID2, CH2: Drain-Source-Spannung VDS2, CH3: Drain-Source-Spannung VDS1, CH4: Halbbrückenspannung VD1S2), 187 (Simulationsverläufe am aktiven MOSFET 1 (VDr1 = 10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω und VDClink = 30 V)), 188 (Simulationsverläufe am aktiven MOSFET 2 (VDr2 = 10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω und VDClink = 30 V)), 189 (Simulationsverläufe an passiver Diode 2 (VDr1 = 10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω und VDClink = 30 V)) und 190 (Simulationsverläufe an passiver Diode 1 (VDr2 = 10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω und VDClink = 30 V)) stellen einen Vergleich zwischen den Schaltverläufen am MOSFET und der dazugehörigen Diode bei Ansteuerung des unteren bzw. des oberen Schalters dar. Sie verdeutlichen den Einfluss der internen Induktivitäten auf das Aufsteuerverhalten des als Freilaufdiode betriebenen Schalters. Die Abbildungen 185 und 186 zeigen Messungen zu den Simulationsverläufen, die in den Abbildungen 187, 188, 189 und 190 dargestellt sind. Das Messverfahren ist in Unterabschnitt 4.4.2.2. beschrieben. Zunächst fällt auf, dass die Simulationsergebnisse durch die Messungen bestätigt werden. Unter Berücksichtigung 160 und der in den Abbildungen 189 und 190 dargestellten Drain-Gate-Spannung des als Freilaufdiode betriebenen MOSFETs wird deutlich, dass zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses an den als Freilaufdiode betriebenen Schaltern unterschiedliche Drain-Gate-Spannungen anliegen (vgl. 191). Deshalb ist die Rückwirkungskapazität des oberen MOSFETs zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses größer als die untere. Somit fließt über die obere Rückwirkungskapazität mehr Strom in den Gatekreis und verursacht damit einen größeren Spannungsabfall über dem Gatewiderstand. Aus diesem Grund steuert der obere Transistor viel stärker auf als der untere.The pictures 185 ( Measurement curves (V Dr1 = 0/10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω, V DClink = 30 V), CH1: diode current I Diode2 , CH2: drain-source voltage V DS2 , CH3: drain Source voltage V DS1 , CH4: half-bridge voltage V D1S2 ), 186 ( Measurement curves (V Dr2 = 0/10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω, V DClink = 30 V), CH1: drain current I D2 , CH2: drain-source voltage V DS2 , CH3: drain Source voltage V DS1 , CH4: half-bridge voltage V D1S2 ), 187 (Simulation curves at the active MOSFET 1 (V Dr1 = 10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω and V DC link = 30 V)), 188 (Simulation curves at the active MOSFET 2 (V Dr2 = 10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω and V DClink = 30 V)), 189 (Simulation curves at passive diode 2 (V Dr1 = 10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω and V DC link = 30 V)) and 190 (Simulation curves at passive diode 1 (V Dr2 = 10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω and V DC link = 30 V)) provide a comparison between the switching characteristics of the MOSFET and the associated diode when driving the lower or They illustrate the influence of the internal inductances on the Aufsteuerverhalten the operated as a freewheeling diode switch. The pictures 185 and 186 show measurements to the simulation courses, which in the pictures 187 . 188 . 189 and 190 are shown. The measurement procedure is described in subsection 4.4.2.2. described. First, it is noticeable that the simulation results are confirmed by the measurements. Considering 160 and the one in the pictures 189 and 190 shown drain-gate voltage of the operated as a freewheeling diode MOSFETs is clear that at the time of the reverse current tear at the operated as a freewheeling diode switches different drain gate voltages applied (see. 191 ). Therefore, the reaction capacity of the upper MOSFET at the time of the reverse current cutoff is larger than the lower one. Thus, more current flows into the gate circuit via the upper feedback capacitance causing a larger voltage drop across the gate resistor. For this reason, the upper transistor controls much more than the lower one.

Hinzu kommt, dass zum Zeitpunkt des Rückstromabrisses die Spannung VLS ihr Vorzeichen wechselt. So beeinflusst die Sourceinduktivität zum einen indirekt über die Drain-Gate-Spannung und zum anderen direkt über VLS im Rückstromabriss das Aufsteuern der Schalter. Es wird auch deutlich, dass die Beeinflussung der Drain-Gate-Spannung durch die Sourceinduktivität eine größere Rolle spielt als die diD/dt-Rückkopplung durch die Sourceinduktivität, da LS2 = 3,5 nH >> LS1 = 0,5 nH. Das spiegelt sich entsprechend in den Einschaltverlusten (vgl. 184) wider. Bezug nehmend auf 191 (Spannungsverhältnisse am als Freilaufdiode betriebenen MOSFET während der Stromkommutierung von Diode auf MOSFET), werden exemplarisch die Größenordnungen der Spannungen VF und VL aufgeführt, um zu verdeutlichen, wie empfindlich das Aufsteuerverhalten auf diese Effekte reagiert:

  • • Ab bzw. bis VF ≈ 0,5 V fließt ein Diodenstrom.
  • • VL1 ≈ 0,33 V bzw. VL1 – VF ≈ –0,23V (VDr2 = 10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω, VDClink = 30 V)
  • • VL2 ≈ 3,50 V bzw. VL2 – VF ≈ 3,00 V (VDr1 = 10 V, IL = 150 A, RG = 10 Ω, VDClink = 30 V)
In addition, at the time of the reverse current break, the voltage V LS changes its sign. For example, the source inductance influences the switching-on of the switches indirectly via the drain-gate voltage and directly via V LS in the reverse-current breakdown. It also becomes clear that the influence of the drain-gate voltage by the source inductance plays a greater role than the di D / dt feedback through the source inductance, since L S2 = 3.5 nH >> L S1 = 0.5 nH , This is reflected accordingly in the switch-on losses (cf. 184 ) contrary. Referring to 191 (Voltage ratios at the operated as a freewheeling diode MOSFET during the current commutation of diode to MOSFET), the magnitudes of the voltages V F and V L are listed as an example, to illustrate how sensitive the Aufsteuerverhalten to these effects:
  • • From or to V F ≈ 0.5 V, a diode current flows.
  • V L1 ≈ 0.33 V or V L1 - V F ≈ -0.23 V (V Dr2 = 10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω, V DC link = 30 V)
  • V L2 ≈ 3.50 V or V L2 - V F ≈ 3.00 V (V Dr1 = 10 V, I L = 150 A, R G = 10 Ω, V DC link = 30 V)

Betrachtet man nun die Kennlinie in 160, so wird schnell deutlich, dass der Unterschied zwischen den wirkenden Rückwirkungskapazitäten sehr groß ist. Mit dieser Analyse ist jedoch noch nicht erklärt, warum am oberen Schalter bei höheren Gatewiderständen die Einschaltverluste leicht zurückgehen. Betrachtet man die Abbildungen 180 und 181, so stellt man fest, dass sowohl die Einschaltverzögerungszeit als auch die Anstiegszeit beider Schalter mit steigendem Gatewiderstand ansteigen. Da der einzige Unterschied zwischen den beiden Schaltern bei den internen Induktivitäten liegt, müsste das Fallen der Einschaltverlustenergie bei sehr großen Gatewiderständen am oberen Schalter auch durch diese begründet werden.Looking now at the characteristic in 160 , it quickly becomes clear that the difference between the effective reaction capacities is very large. However, this analysis does not yet explain why the switch-on losses at the upper switch slightly decrease with higher gate resistances. Looking at the pictures 180 and 181 , it is found that both the turn-on delay time and the rise time of both switches increase with increasing gate resistance. Since the only difference between the two switches lies in the internal inductances, the falling of the turn-on loss energy at very high gate resistances at the upper switch would also have to be justified by this.

Ein Vergleich der Simulation der Einschaltvorgänge des unteren bzw. des oberen MOSFETs bei RG = 100 Ω zeigt, dass der obere als Freilaufdiode betriebene MOSFET – wie schon bei den Verläufen mit RG = 10 Ω – viel länger aufsteuert als der untere (vgl. 192 – Simulationsverläufe am aktiven MOSFET 1 (VDr1 = 10 V, IL = 150 A, RG = 100 Ω, VDClink = 30V), 193 – Simulationsverläufe am aktiven MOSFET 2 (VDr2 = 10 V, IL = 150 A, RG = 100 Ω, VDClink = 30 V), 194 – Simulationsverläufe an passiver Diode 2 (VDr1 = 10 V, IL = 150 A, RG = 100 Ω, VDClink = 30V) und 195 – Simulationsverläufe an passiver Diode 1 (VDr2 = 10V, IL = 150 A, RG = 100 Ω, VDClink = 30 V)). So wachsen die Verluste am unteren Schalter trotz der sich verringernden Rückstromspitze in Abhängigkeit vom Gatewiderstand.A comparison of the simulation of the switch-on operations of the upper and lower MOSFETs at R G = 100 Ω shows that the upper MOSFET operated as free-wheeling diode opens much longer than the lower one (see also the curves with R G = 10 Ω). 192 Simulation curves at the active MOSFET 1 (V Dr1 = 10 V, I L = 150 A, R G = 100 Ω, V DC link = 30 V), 193 Simulation curves at the active MOSFET 2 (V Dr2 = 10 V, I L = 150 A, R G = 100 Ω, V DC link = 30 V), 194 - Simulation curves at passive diode 2 (V Dr1 = 10 V, I L = 150 A, R G = 100 Ω, VDClink = 30 V) and 195 - Simulation curves at passive diode 1 (V Dr2 = 10V, I L = 150 A, R G = 100 Ω, V DC link = 30 V)). Thus, the losses at the bottom switch increase despite the decreasing reverse current peak depending on the gate resistance.

An der vorliegenden Halbbrücke wurden auch Diodenmessungen für die Inversdiode des unteren Schalters durchgeführt. Für den oberen Schalter ist dies jedoch, wie schon oft erwähnt, im vorliegenden Messaufbau nicht möglich. Es ist allerdings zu vermuten, dass sich die obere Diode ähnlich verhält.At The present half bridge was also diode measurements performed for the inverse diode of the lower switch. For the upper switch, however, this is often the case mentioned, not possible in the present test setup. However, it is likely that the upper diode is similar behaves.

Die Darstellungen 196 (Abhängigkeit des Diodenstromanstiegs der Inversdiode 2 im Nulldurchgang dIDiode2/dt vom Gatewiderstand RG) und 197 (Abhängigkeit der Sperrverzögerungszeit der Inversdiode 2 vom Stromanstieg dIDiode2/dt) der Messdaten des unteren MOSFETs (IL = 150 A, VDClink = 30 V, Tj = 125°C) liefert dann den Grund für die Verringerung der Einschaltverluste bei höheren Gatewiderständen. So nimmt der Diodenstromanstieg im Stromnulldurchgang, wie erwartet, mit steigendem Gatewiderstand RG beständig ab (vgl. 197). Die charakteristische Kennlinie der Sperrverzögerungszeit trr(dIDiode/dt) hat durch Integration der Leistung über der Zeit direkten Einfluss auf die Schaltverluste in der Diode und im MOSFET (vgl. 197). Da die untere Diode nicht so stark aufsteuert wie die obere, entsteht im Brückenzweig kein Kurzschluss, der die Verluste im oberen MOSFET auch bei großen Gatewiderständen weiter ansteigen lässt, und verursacht so das leichte Abnehmen der Schaltverluste bei großen Gatewiderständen. Im Rahmen der beschriebenen Untersuchungen wurde mit einer Simulation nachgewiesen, dass für den vorliegenden Messaufbau die diDiode/dt-Rückkopplung durch die Sourceinduktivität eine zu vernachlässigende Wirkung auf die am Chip anliegende Gatespannung und damit auf die Dauer des Aufsteuerns hat. Somit ist das Aufsteuern fast ausschließlich von der wirkenden Rückwirkungskapazität während des Rückstromabrisses abhängig. Diese wird jedoch beim Einschalten durch die herrschenden Induktivitätsverhältnisse über den Stromanstieg, die resultierende Rückkopplung in den Gatekreis und die sich dadurch ergebende Drain-Gate-Spannung indirekt beeinflusst (1/L ~ diL/dt und L ~ vL). In diesem Zusammenhang muss zudem darauf hingewiesen werden, dass Spannungen über Kapazitäten nicht springen können. Die „Sprünge" in den Abbildungen 185 bis 195 haben endliche Anstiege. Diese werden durch die wirkenden Schalterkapazitäten im Rückstromabriss bestimmt (1/C ~ dvc/dt und C ~ ic) und determinieren so direkt das Aufsteuerverhalten der MOSFETs.The representations 196 (Dependency of the diode current increase of the inverse diode 2 at the zero crossing Diode2 dI / dt of the gate resistance R G) and 197 (Dependence of the reverse recovery time of the inverse diode 2 on the current increase dI Diode2 / dt) of the measurement data of the lower MOSFET (I L = 150 A, V DClink = 30 V, T j = 125 ° C) then provides the reason for reducing the turn-on losses at higher gate resistors. As expected, the diode current increase in the current zero crossing decreases continuously as the gate resistance R G increases (cf. 197 ). The characteristic curve of the reverse recovery time trr (dI diode / dt) has a direct influence on the switching losses in the diode and in the MOSFET (cf. 197 ). Since the lower diode does not open as much as the upper one, there is no short circuit in the bridge branch, which causes the losses in the upper MOSFET to continue to rise, even with large gate resistances, thus causing a slight decrease in switching losses at high gate resistances. In the context of the described Un Investigations have been shown with a simulation that for the present measurement setup, the di diode / dt feedback through the source inductance has a negligible effect on the gate voltage applied to the chip and thus on the duration of the open-loop. Thus, the override is almost exclusively dependent on the acting feedback capacity during the reverse current stall. However, this is indirectly influenced by the current inductance ratios, the resulting feedback to the gate circuit, and the resultant drain-gate voltage at power up (1 / L ~ di L / dt and L ~ v L ). In this context, it should also be pointed out that tensions over capacity can not jump. The "jumps" in the pictures 185 to 195 have finite climbs. These are determined by the effective switching capacities in the reverse current break (1 / C ~ dv c / dt and C ~ i c ) and thus directly determine the open-loop behavior of the MOSFETs.

Die Abbildungen 198 (Vergleich der simulierten Einschaltverluste des oberen MOSFETs am Chip und zwischen den Drain-Source-Anschlüssen in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (mit VDClink = 30 V, IL = 150 A und TJ = 25°C)) und 199 (Vergleich der simulierten Einschaltverluste des unteren MOSFETs am Chip und zwischen den Drain-Source-Anschlüssen in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (mit VDClink = 30 V, IL = 150 A und TJ = 25°C)) stellen die aus dem simulierten Drain-Source-Spannungs- und Drainstromverlauf bzw. dem simulierten Chipspannungs- und Kanalstromverlauf ermittelten Einschaltverluste für beide Schalter dar. Unter Berücksichtigung der Skalierung der Diagramme wurden folgende Feststellungen aus den Diagrammen abgeleitet:

  • • Die Einschaltverluste am Chip sind geringer als zwischen den Messpunkten, da die Spannungsabfälle über der Drain- und der Sourceinduktivität die Messspannung gegenüber der Chipspannung beim Einschalten erhöhen.
  • • Da die Induktivitäten im unteren Schalter größer sind als im oberen, ist der Unterschied zwischen Mess- und Chipspannung am unteren MOSFET größer als am oberen. So weichen am oberen Schalter die Einschaltverluste im Chip zwischen 21% bei RG = 10 Ω und 3% bei RG = 100 Ω von den Verlusten zwischen den Messpunkten ab. Am unteren Schalter liegt die Diskrepanz zwischen 23% bei RG = 10 Ω und 7% bei RG = 100 Ω.
The pictures 198 (Comparison of the simulated turn-on losses of the upper MOSFET on the chip and between the drain-source terminals as a function of the gate resistance R G (with V DClink = 30 V, I L = 150 A and T J = 25 ° C)) and 199 (Comparison of the simulated turn-on losses of the lower MOSFET on the chip and between the drain-source terminals as a function of the gate resistance R G (with V DClink = 30 V, I L = 150 A and T J = 25 ° C)) simulated drain-source voltage and drain current profile or the simulated Chipspannungs- and channel current waveform determined switch-on for both switches. Taking into account the scaling of the diagrams, the following statements were derived from the diagrams:
  • • The turn-on losses on the chip are lower than between the measuring points, since the voltage drops across the drain and the source inductance increase the measuring voltage compared to the chip voltage at switch-on.
  • • Since the inductances in the lower switch are larger than the upper ones, the difference between the measurement voltage and the chip voltage is greater at the lower MOSFET than at the upper one. For example, the switch-on losses in the chip between 21% at R G = 10Ω and 3% at R G = 100Ω deviate from the losses between the measuring points at the upper switch. At the lower switch the discrepancy is between 23% at R G = 10 Ω and 7% at R G = 100 Ω.

Einschaltenergie in Abhängigkeit vom Drainstrom ID Turning energy as a function of the drain current I D

Das folgende Diagramm 200 (Vergleich der gemessenen und simulierten Einschaltenergien Eonmess, Eon1 und Eon2 in Abhängigkeit vom Drainstrom ID (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) stellt die Abhängigkeit der Einschaltverlustenergie vom Drainstrom ID dar. Folgende Erkenntnisse lassen sich aus der Darstellung ableiten:

  • • Bei steigendem Drainstrom nehmen die Verluste zu.
  • • Die simulierten Verluste sind geringer als die zugehörigen gemessenen. Die Abweichungen der simulierten Verluste des unteren Schalters von den Messungen liegen zwischen 13% bei IL = 150 A und 26% bei IL = 10 A. Die notwendigen Verbesserungen der Crss-Kennlinie wurden bereits bei den Einschaltzeiten angedeutet.
The following diagram 200 (Comparison of the measured and simulated switch-on energies E onmess , E on1 and E on2 as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) sets the dependence of the switch-on loss energy on the drain current I. D dar. The following findings can be derived from the presentation:
  • • As the drain current increases, the losses increase.
  • • The simulated losses are lower than the corresponding measured ones. The deviations of the simulated losses of the lower switch from the measurements are between 13% at I L = 150 A and 26% at I L = 10 A. The necessary improvements of the Crss characteristic were already indicated at the switch-on times.

Die Darstellungen 201 (Vergleich der simulierten Einschaltverluste des oberen MOSFETs am Chip und zwischen den Drain-Source-Anschlüssen in Abhängigkeit vom Drainstrom ID(VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) und 202 (Vergleich der simulierten Einschaltverluste des unteren MOSFETs am Chip und zwischen den Drain-Source-Anschlüssen in Abhängigkeit vom Drainstrom ID (VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) stellen den Einfluss der internen Schalterinduktivitäten auf die Schaltverluste dar. Es ist Folgendes festzustellen:

  • • Die Verluste am Chip sind geringer als die zwischen den Drain- und Sourceanschlüssen ermittelten.
  • • Der Einfluss der internen Induktivitäten auf die Verluste bei kleineren Drainstromstärken sinkt. So sind am unteren Schalter die Verluste am Chip um 23% bei IL = 150 A und bei IL = 10 A nur um 4% geringer als die Einschaltverluste, die aus den Messungen ermittelt werden. Am oberen Schalter betragen die Abweichungen bei IL = 150 A 20% und 0% bei IL = 10 A.
The representations 201 (Comparison of the simulated turn-on losses of the upper MOSFET on the chip and between the drain-source terminals as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) and 202 (Comparison of the simulated turn-on losses of the lower MOSFET on the chip and between the drain-source terminals as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) are the influence of the internal Switch inductances on the switching losses. It can be stated that:
  • • The losses on the chip are lower than those determined between the drain and source connections.
  • • The influence of the internal inductances on the losses at lower drain currents decreases. At the lower switch, for example, the losses on the chip are 23% lower at I L = 150 A and at I L = 10 A, only 4% lower than the switch-on losses, which are determined from the measurements. At the upper switch, the deviations at I L = 150 A are 20% and 0% at I L = 10 A.

Für die Simulation der Einschaltzeiten und Einschaltverluste lässt sich zusammenfassen:

  • 1. Die Simulationsergebnisse der Einschaltverzögerungszeit td(on) und damit auch der Einschaltenergie Eon lassen sich durch eine Korrektur der Rückwirkungskapazitätskennlinie bei größeren Drain-Gate-Spannungen verbessern (vgl. 160 und 47).
  • 2. Die Nachbildung der Rückwirkungskapazitätskennlinie beeinflusst die Simulationsqualität der Anstiegszeit tr in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG viel stärker als in Abhängigkeit vom Drainstrom ID. Es ist zu erwägen, verschiedene Kennlinien für bestimmte Widerstandsbereiche in den Simulator zu integrieren (vgl. Abschnitt 3.5.2), um auch eine genauere Ermittlung der Einschaltverluste Eon zu ermöglichen.
  • 3. Die Simulation der Einschaltverluste Eon liefert nicht nur zusätzliche Informationen zum oberen Schalter, sondern auch über die Verluste, die am Chip entstehen. Diese sind geringer als die Verluste, die aus den Messungen ermittelt werden.
  • 4. Die Verluste des oberen Schalters weichen von den Verlusten des unteren Schalters beim Einschalten stärker ab als beim Ausschalten. Es werden zwar dieselben Kapazitäten umgeladen, jedoch entstehen durch das unterschiedliche Aufsteuerverhalten der Inversdioden unterschiedliche Verluste.
  • 5. Die Verläufe der simulierten Einschaltzeiten und -verlustenergien in Abhängigkeit von RG und ID sind den Messverläufen ähnlich – in der Simulation entsteht entweder ein anderer Offset oder ein anderer Anstieg der Kennlinien. Die Abweichungen sind demnach kalkulierbar. Trotz der Abweichungen ist das Schaltermodell sehr stabil.
  • 6. Eine Verbesserung der Simulationsergebnisse durch Umsetzung der Erkenntnisse aus Abschnitt 3.5. ist zu erwarten.
  • 7. Nach der Untersuchung der Einschaltparameter ist aufgrund der Ähnlichkeit der ermittelten Kennlinien zu vermuten, dass die Simulation des oberen Schalters ähnliche Diskrepanzen zur Messung hat wie der untere. Mit dem vorliegenden Messaufbau ist diese Untersuchung jedoch nicht möglich.
For the simulation of the switch-on times and switch-on losses can be summarized:
  • 1. The simulation results of the switch-on delay time t d (on) and thus also the turn-on energy E on can be improved by correcting the feedback capacitance characteristic at higher drain-gate voltages (cf. 160 and 47 ).
  • 2. The simulation of the feedback capacitance characteristic influences the simulation quality of the rise time t r as a function of the gate resistance R G much more than in dependence on the drain current I D. It should be considered to integrate different characteristic curves for certain resistance ranges into the simulator (see section 3.5.2) in order to enable a more precise determination of the switch-on losses E on .
  • 3. The simulation of the switch- on losses E on not only provides additional information about the upper switch, but also about the losses that occur on the chip. These are lower than the losses that are determined from the measurements.
  • 4. The losses of the upper switch deviate more from the losses of the lower switch when switching on than when switching off. Although the same capacities are reloaded, however, different losses occur due to the different triggering behavior of the inverse diodes.
  • 5. The curves of the simulated switch-on times and energy losses as a function of R G and I D are similar to the measuring curves - in the simulation, either a different offset or a different slope of the characteristic curves arises. The deviations are therefore calculable. Despite the deviations, the switch model is very stable.
  • 6. An improvement of the simulation results by implementing the findings from section 3.5. is to be expected.
  • 7. After examining the switch-on parameters, it is to be assumed on the basis of the similarity of the determined characteristic curves that the simulation of the upper switch has similar discrepancies to the measurement as the lower one. However, this examination is not possible with the present test setup.

Die Abbildungen 203 (Vergleich der Schaltverluste ETR in Abhängigkeit vom Gatewiderstand RG (VDClik = 30 V, IL = 150 Ω und TJ = 25°C)) und 204 (Vergleich der Schaltverluste ETR in Abhängigkeit vom Drainstrom ID(VDClink = 30 V, RG = 10 Ω und TJ = 25°C)) fassen die Ergebnisse einer Untersuchung zusammen, die sich sowohl auf die Auswertung der Ausschaltenergien als auch der Einschaltenergien bezieht:

  • – Betrachtet man die Abbildungen aus Sicht des thermischen Managements – wo aufgrund der thermischen Impedanz die Summe der Verluste von Interesse sind, die in einer Pulsperiode anfallen und nicht die einzelnen Ein-, Aus- und Durchlassverluste – so liefert das Modell erstaunlich genaue Ergebnisse. Die Abweichungen zu der Messung liegen bei maximal 11%.
  • – Die Kennlinien verdeutlichen, dass die Abweichungen zwischen Eon1 + Eoff1 und Eon1chip + Eoff1chip sowie zwischen Eon2 + Eoff2 und Eon2chip + Eoff2chip für den vorliegenden Messaufbau vernachlässigbar klein sind, wenn der Drainstrom im Durchlasszustand nicht signifikant ansteigt. Die gesamten Schaltverluste sind am Chip tendenziell geringer als die Verluste, die aus den Messdaten ermittelt wurden. Zwar ist dieser Unterschied in der untersuchten MOSFET-Brücke nicht von Bedeutung, doch muss das nicht immer so sein.
The pictures 203 (Comparison of the switching losses E TR as a function of the gate resistance R G (V DClik = 30 V, I L = 150 Ω and T J = 25 ° C)) and 204 (Comparison of the switching losses E TR as a function of the drain current I D (V DClink = 30 V, R G = 10 Ω and T J = 25 ° C)) summarize the results of a study, both on the evaluation of the Ausschaltenergien and the turn-on energies relates:
  • - Looking at the figures from the point of view of thermal management - where, due to the thermal impedance, the sum of the losses occurring in one pulse period and not the individual input, output and forward losses is of interest, the model delivers astonishingly accurate results. The deviations from the measurement are a maximum of 11%.
  • - The curves illustrate that the deviations between E on1 + E off1 and E on1chip + E off1chip as well as between E on2 + E off2 and E on2chip + E off2chip are negligibly small for the present test setup, if the drain current in the on-state does not increase significantly. The total switching losses on the chip tend to be lower than the losses that were determined from the measured data. Although this difference in the investigated MOSFET bridge is not important, this does not always have to be the case.

Ursprung für die Unterschiede sind die nichtlinearen Schalterkapazitäten. (Es kann vereinfachend von konstanten Induktivitäten ausgegangen werden, auch wenn die theoretische Elektrotechnik das Gegenteil zu belegen vermag.) Die C-Kennlinien wirken beim Ein- und Ausschalten unterschiedlich, da die Richtung des Durchlaufens entgegengesetzt ist. Damit wirken zu Beginn und so auch während der Spannungskommutierung beim Ein- und Ausschalten unterschiedliche Kapazitäten. Das beeinflusst die Verluste.origin for the differences are the nonlinear switch capacities. (For simplification, it can be assumed that the inductance is constant even if theoretical electrical engineering is the opposite can prove.) The C-curves are effective when switching on and off different, as opposed to the direction of the run is. Thus act at the beginning and so also during the voltage commutation when switching on and off different capacities. That affects the losses.

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Claims (2)

Verfahren zur Bestimmung von Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien elektronischer Schaltelemente, dadurch gekennzeichnet, dass bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen (drei Kontakte) die Abhängigkeit der Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangskapazität von den zugehörigen Eigenspannungen bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen (zwei Kontakte) die Abhängigkeit der Interelektrodenkapazität von Interelektrodenspannung als differentielle bzw. als Großsignalkapazität aus applikationstypischen Kommutierungsvorgängen bestimmt wird, indem bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die zeitdiskreten Messdaten der Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangsspannung sowie die Eingangs- und Ausgangsstromstärke und bei passiven elektronischen Schaltelementen die zeitdiskrete Messdaten der Interelektrodenspannung sowie die Interelektrodenstromstärke applikationstypischer Kommutierungsvorgängen aufgenommen werden; dass die gemessenen zeitabhängigen Spannungen bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen um die durch die Ein- und Ausgangsstromstärke bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen um die durch die Interelektrodenstromstärke verursachten Spannungsabfälle über den wirkenden Widerständen zwischen den Messstellen und dem Chip sowie bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die durch den Ein- und Ausgangsstromanstieg bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen Interelektrodenstromanstieg verursachten Spannungsabfälle über der wirkenden Induktivität zwischen den Messstellen und dem Chip entsprechend des zweiten Kirchhoff'schen Satzes zu Chipspannungen korrigiert werden können; wobei bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen die Ausgangskapazitätsstromstärke durch Differenz der aus dem Ausgangskennlinienfeld des elektronischen Schaltelementes für jeden Messzeitpunkt ermittelbaren statischen Ausgangsstromstärke und der dynamisch gemessenen Stromstärke bzw. bei passiven elektronischen Schaltelementen die Interelektrodenkapazitätsstromstärke durch Differenz der aus der Interelektrodenkennlinie des elektronischen Schaltelementes für jeden Messzeitpunkt ermittelbare statische Interelektrodenstromstärke und der dynamisch gemessenen Interelektrodenstromstärke ermittelt wird; dabei ergeben sich bei gesteuerten elektronischen Schaltelementen durch numerische Integration der Eingangsstromstärke und der Ausgangskapazitätsstromstärke bzw. bei passiven Schaltelementen durch Integration der Interelektrodenstromstärke nach Offsetkorrekturen, welche der Bedingung genügen, dass die Ladung der Kapazitäten zu dem Zeitpunkt null Coulomb beträgt, zu dem die Eigenspannung der Kapazität gleich null ist, die zeitabhängigen Eingangs-, Rückwirkungs- und Ausgangs- bzw. Interelektrodenladungsverläufe aus welchen die differentielle Kapazitäten (Cdiff = dQ(t)/dV(t)) bzw. die Großsignalkapazitäten (CLS = Q(t)/V(t)) der elektronischen Schaltelemente bestimmt werden können.Method for determining capacitance-voltage characteristics of electronic switching elements, characterized in that in controlled electronic switching elements (three contacts) the dependence of the input, feedback and output capacitance of the associated residual stresses or in passive electronic switching elements (two contacts) the dependence the interelectrode capacitance of interelectrode voltage is determined as a differential or large signal capacitance from application-typical commutation by the discrete-time measurement data input, Rückwirkungs- and output voltage and the input and output current and in passive electronic switching elements, the time-discrete measurement data of the interelectrode voltage and the Interelektrodenstromstärke application-typical Kommutierungsvorgängen be included; that the measured time-dependent voltages at controlled electronic switching elements by the input and output current strength or passive electronic switching elements by the voltage caused by the interelectrode current drops across the acting resistors between the measuring points and the chip as well as controlled electronic switching elements by the input and output current increase or in the case of passive electronic switching elements Interelektrodenstromanstieg caused voltage drops over the acting inductance between the measuring points and the chip can be corrected according to the second Kirchhoff's theorem to chip voltages; wherein in controlled electronic switching elements, the output capacitance current strength by difference of the static output current intensity and the dynamically measured current from the output characteristic field of the electronic switching element for each measurement time or in passive electronic switching elements, the Interelektrodenkapazitätsstromstärke by difference of the Interelektrodenkennlinie of the electronic switching element for each measurement time detectable static Interelektrodenstromstärke and the dynamically measured interelectrode current intensity is determined; This results in controlled electronic switching elements by numerical integration of the input current intensity and the output capacitance current or passive switching elements by integration of Interelektrodenstromstärke after offset corrections, which satisfy the condition that the charge of the capacitances at the time zero Coulomb, to which the residual stress of the capacitance is zero, the time-dependent input, feedback and output or Interelektrodenladungsverläufe from which the differential capacitances (C diff = dQ (t) / dV (t)) and the large signal capacitances (C LS = Q (t) / V (t)) of the electronic switching elements can be determined. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Kapazitäts-Spannungs-Kennlinien zur Parametrierung von Interelektrodenkapazitäten entsprechender Schaltermodelle für deren Netzwerksimulation unter Berücksichtigung von Kommutierungs- und elektrotechnischer Grundlagen verwendet werden.Method according to claim 1, characterized in that that the determined capacitance-voltage characteristics for Parameterization of Interelektrodenkapazitäten corresponding Switch models for their network simulation under consideration be used of commutation and electrical engineering basics.
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